Инновационные средства контактной термометрии производства ОАО НПП «Эталон».

Ген. директор ОАО НПП «Эталон», заслуженный метролог России Никоненко В.А.(3812)36-84-00.

Серебрянников И.С. –инженер-констуктор 3-ей категории (3812)36-75-85

Введение

После распада СССР и принятие Украиной независимости, в России не осталось предприятий, занимающихся серийным изготовлением рабочих средств измерения температуры, так как монополистом в этой области деятельности было НПО «Электротермометрия» г. Луцк. В сложных условиях перестройки отечественной экономики, в короткие сроки специалистами ОАО НПП «Эталон» (на то время ФГУП ООЗ «Эталон») была проведена разработка и технологическая подготовка для серийного изготовления ряда типов термоэлектрических преобразователей и термометров сопротивления, являющихся полным аналогом «Луцких» датчиков температуры. В это не легкое время мы сумели найти как свою нишу, так и многочисленных потребителей в различных отраслях промышленности

Рисунок 1

До 2000-го года освоен серийный выпуск 64-х датчиков, в том числе с унифицированным выходным сигналом, во взрывобезопасном исполнении с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» и др. (рисунок 1).

Термоэлектрические преобразователи температуры

Повторение номенклатуры НПО «Электротермометрия» имело смысл только на начальном этапе, когда требовалась замена средств контроля температуры на давно работающем оборудовании. Но с течением времени стало появляться новое оборудование, в том числе импортное, и возникла необходимость в разработке и изготовлении импортозамещающих средств измерения температуры. На предприятии принимается решение об изготовлении датчиков температуры по индивидуальным заказам. Доля датчиков температуры по индивидуальным заказам возрастает с каждым годом, если в 2000 году на предприятии было изготовлено около 260 типов таких датчиков, то в 2004 году это число возросло до 510 типов. В связи с постоянно возрастающим требованием к качеству выпускаемых изделий и удовлетворение требований ИСО 9001, неразрывно происходят процессы повышения квалификации персонала и формирования теоретико-технической базы.

В случаях неоднократного повторения заказа на тот или иной датчик, на него проводится разработка полного комплекта конструкторской документации и сертификация. Некоторые типы датчиков были разработаны в результате сотрудничества с другими предприятиями.

Предприятием разработаны аналоги преобразователей компании «GEFRAN»

- лидер итальянской промышленной автоматики, «OMEGA» - США, «JUMO» - ведущие производители преобразователей температуры в Германии.

Специалистами предприятия разработан ряд датчиков, имеющих уникальную (эксклюзивную) конструкцию, например:

- поверхностный термоэлектрический преобразователь типа ТХА 0603 с индукционно-магнитной фиксацией на измеряемой поверхности.

- преобразователи термоэлектрические хромель-алюмелевые типа ТХА 0011, представляющие собой погружные кабельные термопары с защитным чехлом из нитрида бора и предназначенные для контроля температуры расплавленных металлов Al, Cu, бронзы и т.п.;

- погружные датчики типа ТХА (ТХК) 9709Ф с фторопластовым покрытием арматуры, переменными диаметрами (D и d) и длинной погружаемой части (l), предназначенные для контроля температуры химически агрессивных сред.

В настоящее время ведется разработка термопреобразователя сопротивления платинового типа ТСП 0505 для измерения температуры кислот, щелочей и других химически агрессивных сред с защитной арматурой из стекла. Разрабатываемые датчики обладают значительно меньшей инерционностью по сравнению с датчиками с фторопластовым покрытием арматуры.

Повышенные эксплуатационные требования предъявляются к термопреобразоватлям сопротивления, используемым при учете тепловой энергии. Нашим предприятием поставка подобных термопреобразователей производится в виде комплекта датчиков типа КТСПР 9514, в котором значения сопротивлений двух термопреобразователей, входящих в комплект, при 0 °С (Ro), отличается между собой на величину не более 0,01%, а значения W₁₀₀ отличается на величину не более 0,0001. В настоящее время мы изготавливаем и поставляем комплекты КТСПР соответствующие международным стандартам, с поверкой в трех точках и межповерочным интервалом три года.

При освоении серийного производства термопреобразователей сопротивления ТСП 9703, ТСМ 9703, преобразователей с унифицированным выходным сигналом ТСПУ 9313, ТСМУ 9313, преобразователей термоэлектрических ТХА 9909, ТХК 9909, ТХА 0001, ТХК 0001 использовались результаты диссертационной работы д.т.н., проф. В.Я.Черепанова «Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителей».

Самым распространенным термопреобразователем ТП в промышленности и научных исследованиях является хромель-алюмелевый термоэлектрический преобразователь (ТХА). ТП предназначен для измерения температуры до 1100 °С в окислительных и инертных средах. Номинальная статическая характеристика ТХА близка к линейной. Технический ресурс термопар при температурах менее 850 °С ограничивается только дрейфом термо-э.д.с., т.к. жаростойкость хромеля и алюмеля позволяет использовать их при этих температурах десятки тысяч часов.

При температурах до начала интенсивного окисления хромеля и алюмеля (ниже 850 °С) в окислительной атмосфере изменение термо-э.д.с. не превышает 1% за десятки тысяч часов и практически не зависит от диаметра термоэлектродов до 800 °С. Изменение термо-э.д.с. значительно возрастает с увеличением температуры до 1000 °С, при этой температуре существенный дрейф отмечается уже за 800-1000 ч, а при температуре в 1200 превышает 1% уже через 200 ч (рисунок 2).

Учитывая вышеизложенное, применять один и тот же преобразователь ТХА во всем диапазоне измеряемых температур нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений.

Особое место среди различных причин, влияющих на стабильность показаний термопар ТХА , занимают термические напряжения, возникающие под действием либо длительных статических нагрузок на термоэлектроды, либо в результате термоциклирования.

Поэтому не рекомендуется резко вынимать ТП из объекта, т.к. даже одноразовое извлечение его из среды с температурой 1100 °С может вызвать изменение статической характеристики на десятки градусов.

Из всех промышленных ТП наибольшей дифференциальной чувствительностью обладает хромель-копелевый (ТХК) термоэлектрический преобразователь, применяется для точных измерений температуры, а также для измерения малых температурных разностей. При нагреве до 600 ˚С данным ТП свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность, обусловлено это тем, что изменения термо-э.д.с. электродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар может составлять несколько десятков тысяч часов. Так у термопар с диаметрами термоэлектродов от 0,5 до 3,2 мм при их выдержке в течении 10000 ч при 400-600 ˚С максимальное изменения градуировки составили 0,5-1 ˚С. К недостаткам ТХК можно отнести относительно высокую чувствительность к деформации.

Рисунок 2 – Изменение термо-э.д.с. термопары ТХА с термоэлектродами диаметром

3,2 мм за 1000 ч нагрева на воздухе при температурах, указанных на кривых.

С целью увеличения ресурса работы высокотемпературных платиновых термопреобразователей была предложена термопара типа ТПП 9717, конструкция которой состоит из термоэлектродов, изолированных друг от друга керамической соломкой и помещенных в защитную арматуру, состоящую из внутреннего (сапфирового) и наружного (керамического, КТВП) чехлов. Пространство между чехлами заполнено минеральной изоляцией (Al₂O₃). Использование данной конструкции позволило:

- увеличить ресурс термопары за счет снижения вероятности загрязнения термоэлектродов примесями, содержащимися в окружающей среде, и созданного щадящего режима работы для керамической арматуры;

 - сохранить инерционность, которая осталась равной инерционности термопар с одинарным чехлом.

Натурные испытания, проведенные в течение года на АООТ «Ижсталь» (г. Ижевск), подтвердили заявленные показатели надежности.

Среди термопреобразователей, выпускаемых нашим предприятием, хотелось бы обратить внимание на те, которые выполнены на основе термопарного кабеля с минеральной изоляцией в металлической оболочке (ТХА (ТХК) 9808, КТХАС (КТХКС), ТСП 9801 и др., всего 21 тип). Кабельные преобразователи термоэлектрические имеют ряд преимуществ по отношению к «проволочным»:

- более высокую термоэлектрическую стабильность и рабочий ресурс;

- возможность монтажа в труднодоступных местах (за счет относительно малого радиуса изгиба);

- малый показатель тепловой инерции;

- способность выдерживать большие рабочие давления;

- возможность изготовления на их основе термопреобразователей блочно-модульной конструкции.

Одним из наиболее сложных и ответственных этапов в процессе изготовления кабельных термопар является сварка рабочего спая, т.к. она производится внутри оболочки кабеля, и могут возникать дефекты в сварном шве. Дефектом рабочего спая термопары считается наличие в нем микротрещин, непровара, пор, свищей, утонение электродов (рисунок 3).

           а)                           б)                             в)                             г)                              д)

Рисунок 3 – Основные дефекты рабочего спая термопары:

а), б) дефектов нет; в) утонение; г) несплавление; д) микротрещины и поры

Указанные дефекты приводят к преждевременному разрушению рабочего спая термопреобразователя.

В настоящее время на предприятии серийно выпускается более 150 типов датчиков температуры (92 типа преобразователей термоэлектрических и 61 термопреобразователей сопротивления) из них поверхностных – 18 типов, кабельных – 21 тип, остальные – проволочные.

Большинство поверхностных датчиков в комплекте с измерителем температуры портативным микропроцессорным используются для аудита тепловых систем. Для большего удобства предприятие предлагает измеритель температуры портативный ИТПМ (ИТП) с комплектом датчиков в чемодане ( рисунок 4).

Рисунок 4 – ИТПМ с комплектом датчиков в чемодане

В зависимости от желания заказчика, возможна комплектация различными типами датчиков, например:

- ТХА 9709, ТХК 9709, ТХА 9709Ф, ТХК 9709Ф, термопреобразователи предназначены для измерения температуры жидких, газообразных и сыпучих веществ, в частности ТХА 9709Ф, ТХК 9709Ф предназначены для измерения температуры электролита щелочных аккумуляторов;

- ТХА 0001, ТХК 0001, ТХА 9712, ТХК 9712, предназначены для измерения температуры поверхности твердых тел;

- ТХА 0002, ТХК 0002, предназначены для измерения температуры жидких и газообразных сред и твердых тел;

- ТХА 9713, ТХА 9909, ТХК 9909, ТХА 9911, ТХК 9911, предназначены для измерения температуры плоской поверхности твердых тел;

- ТХА 9908, ТХК 9908, предназначены для измерения температуры цилиндрических поверхностей.

Приборы и оборудование производства ОАО “НПП Эталон”

для теплофизических измерений

Рассматриваются задачи нового направления – теплометрии, связанного с разработкой теплометрического оборудования для измерения теплопроводности строительных материалов, теплового сопротивления элементов конструкций зданий, определения сопротивления теплопередачи зданий и сооружений освоением и выпуском преобразователей плотности теплового потока.

На данный момент задачи нашего предприятия в разработке теплометрического оборудования условно можно разделить на следующие направления:

1 Измерение теплопроводности строительных материалов на стадии их разработки и производства. Для этой цели разрабатывается установка УТП-1, основанная на методе определения теплопроводности и термического сопротивления строительных материалов при стационарном тепловом режиме согласно ГОСТ 7076-99. Установка реализована по симметричной схеме с определением плотности теплового потока, проходящего через испытываемый образец и образцовую меру теплопроводности, путем измерения электрической мощности, подаваемой на нагреватель. Установка разрабатывается под руководством ВНИИМ (г. Санкт-Петербург).

Принцип работы установки основан на измерении перепада температуры на поверхностях образца при установлении стационарного теплового потока. Вычисление коэффициента теплопроводности производится по формуле:

,                                                 (1)

где:

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м ºС;

Р_н – мощность нагревателя, Вт;

Р_р – мощность потерь, Вт;

∆Т – перепад температур на поверхностях образца, °С;

S – площадь нагревательной пластины, м².

В соответствии с государственной поверочной схемой для средств измерений теплопроводности твердых тел установка может быть использована в качестве рабочего средства измерения.

Основные технические характеристики установки.

Диапазон измерения

теплопроводности, Вт/(м×К)  .............. От 0,03 до 1,4

Погрешность измерения, %   ................................. 3

Температурный интервал измерений

теплопроводности, °С  .......................... От 10 до 90

Габаритные размеры образца, мм..... 250´250´10-50

В комплект установки входит набор мер теплопроводности, содержащий меры:

-     из органического стекла по ГОСТ 17622-72;

-     из оптического стекла марок ТФ1 и ЛК5 по ГОСТ 13659-78;

-     из оптического кварцевого стекла марки КВ по ГОСТ 15130-86;

-     из сплава ВТ6 по ГОСТ 19807-91;

-     из нержавеющей стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72.

2 Измерение теплового сопротивления элементов конструкций зданий (например, стеклопакетов) на стадиях разработки и изготовления. Для этого используется измерительный комплекс, включающий измеритель многоканальный ИТ-2-96, преобразователи плотности теплового потока и термоэлектрические преобразователи. Количество каналов – от 16 до 96, кратное 16. Измеритель ИТ-2-96 позволяет автоматически получать данные измерения от датчиков плотности теплового потока и температуры (термопар) по 16, 32, 48, 64, 80, 96 каналам в зависимости от исполнения прибора с последующей передачей данных на ЭВМ. Система применяется в испытательных лабораториях г. Омска и других городов России.

3 Определение сопротивления теплопередачи зданий и сооружений.

Определение сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций позволяет количественно оценить теплотехнические качества ограждающих конструкций зданий и сооружений и их соответствие нормативным требованиям, установить реальные потери тепла через наружные ограждающие конструкции, проверить расчетные и конструктивные решения.

При проведении измерений используются стационарный измеритель ИТ-2-96 (в комплекте с преобразователями термоэлектрическими и преобразователями плотности теплового потока) и переносной прибор МВПМ в комплекте с преобразователем плотности теплового потока.

Преобразователи плотности теплового потока ПТП-03, входящие в комплект данных приборов, – это термоэлектрические, гальванические преобразователи, работающие по принципу “вспомогательной стенки”. Габаритные размеры преобразователей 100´30´3 мм. Диапазон измерений 0-2000 Вт/м². Коэффициент чувствительности около 80 Вт/м²×мВ.

4 Освоение и выпуск преобразователей плотности теплового потока потребовал появления установки УТМ-1. Установка разрабатывалась под руководством СНИИМ (г. Новосибирск).

Установка обеспечивает поверку (калибровку) средств измерений теплового потока с градиентными преобразователями, работающими на принципе дополнительной стенки и имеющими разную конструкцию (термоэлектрические, гальванические, полупроводниковые и т.д.), разную геометрическую форму (круглые, прямоугольные, квадратные и т.д.) и разные размеры, в том числе с преобразователями, отличающимися по конструкции, форме и размерам от преобразователей эталонных средств измерений, с которыми проводится сличение.

В соответствии с государственной поверочной схемой для средств измерений поверхностной плотности теплового потока МИ1855 (приложение 2) установка УТМ-1 может выполнять роль кондуктивного компаратора для передачи размера единицы поверхностной плотности теплового потока (Вт/м²) от эталонных ПТП 1-го разряда к эталонным ПТП 2-го разряда и рабочим средствам измерений.

Установка обеспечивает следующие технические характеристики:

-     диапазон плотности теплового потока, создаваемого в теплометрической камере, от 10 до 2000 Вт/м²;

-     нестабильность поддержания заданной плотности теплового потока в установившемся режиме не более 0,25 % в мин;

-     неравномерность плотности теплового потока по объему теплометрической камеры в установившемся тепловом режиме не более 2,5 %.

Установка представляет собой блочно-модульный метрологический комплекс, состоящий из отдельных изделий: блока теплометрического, блока охлаждения, блока управления, многоканального измерителя МИТ-12ТC и многоканального измерителя ИТ-2-16.

Заключение

ОАО НПП «Эталон» постоянно участвует в работе региональных и международных ярмарок, выставок, семинаров и конференций. Ряд изделий, выпускаемых предприятием, являются лауреатами в различных номинациях.

Предприятие постоянно повышает уровень качества разрабатываемых и изготавливаемых изделий. ОАО НПП «Эталон» имеет сертификат соответствия  системы менеджмента качества согласно ИСО 9001-; сертифицирован на право разработки и выпуска изделий для объектов атомной энергетики, для объектов РАО ЕЭС (сертификат ЗАО «Энсертико») и на право первичной поверки изделий при выпуске из производства.

ОАО НПП «Эталон» является постоянным членом температурной комиссии, поддерживает тесные связи с ведущими метрологическими институтами, центрами стандартизации и метрологии, НИИ различных отраслей и проектными организациями.

 Наши изделия хорошо зарекомендовали себя в различных отраслях промышленности и народного хозяйства, а также на объектах Морского флота (имеется признание Регистра) и железнодорожного транспорта.

Все разработки, осуществляемые предприятием, проводятся за счет собственных средств. Конструкция датчиков индивидуальных исполнений согласовывается с заказчиком, а опытные образцы предоставляются потребителям для натурных испытаний бесплатно. Предприятие с благодарностью принимает замечания и предложения по совершенствованию конструкций изделий, по улучшению их потребительских свойств и качественных характеристик. Специалисты предприятия выезжают на объекты эксплуатации для изучения проблем измерения температуры и консультаций по температурным измерениям с привязкой к конкретному объекту.

Коллектив предприятия уверен в своих возможностях удовлетворять запросы потребителей в датчиках температуры и готов принять замечания и предложения, как по своим изделиям, так и по аналогичным изделиям других фирм, с целью повышения качества и потребительских свойств разрабатываемых и серийно выпускаемых средств измерений.

Список литературы

1 Гордов А.Н., Жагулло О.М. Основы температурных измерений. – М.: Энергоатомиздат, 1992.

2 Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия. – Минск: Изд-во Стандартов, 1998.

3 Коржавин А.В., Улановский А.А. Термоэлектрическая термометрия. Основы, проблемы, развитие // Мир измерений, 2002, № 1, 2002, с. 13-21.

4 Dahl A.I. The stability of base-metal thermocouples in air from 800 to 2200 ºF. National Bureau of standards, Washington, USA. – In: Proceedings “Thermometric metals and alloys”, p. 1238-1266.

            5 Reed R.P. Absolute Seebeck thermoelektric characteristics – principles, significance, and applications. – In: Proceedings “Temperature, its measurement and control in science and industry”, 1992, v. 6, part 1, p. 503-508.