Научная статья на тему 'Восстановление работоспособности термоэлектрических термометров и термометров сопротивления'

Восстановление работоспособности термоэлектрических термометров и термометров сопротивления Текст научной статьи по специальности «Электротехника»

1581
264
Поделиться
Ключевые слова
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР / ТЕРМОМЕТР СОПРОТИВЛЕНИЯ / ТЕМПЕРАТУРА / ИЗМЕРЕНИЕ / КОНТРОЛЬ / УПРАВЛЕНИЕ / ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ / ТЕРМОПАРА / ПРИБОР / ДАТЧИК / ТЕРМОЭДС / ГРАДУИРОВКА / ФАКТОРЫ / НЕИСПРАВНОСТЬ / ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ / КАРКАС / ОБМОТКА / СЛОЙ / МЕДЬ / ПЛАТИНА / ПЛАТА / ОТКАЗ / РЕМОНТ / ЭКСПЛУАТАЦИЯ / УСЛОВИЯ / ДАВЛЕНИЕ / ВИБРАЦИЯ

Аннотация научной статьи по электротехнике, автор научной работы — Схиртладзе А. Г., Быков С. Ю., Схиртладзе С. А.

В статье приведена последовательность выполнения ремонтных работ по восстановлению работоспособности термоэлектрических термометров, а также термометров сопротивления, используемых для измерения температуры различных технологических объектов. Даны классификация конструкций приборов для автоматического управления температурными режимами технологических процессов и дистанционной передачи показаний, а также требования к проведению ремонта и его контролю.The article contains a sequence of repair work to restore the health of thermoelectric thermometers and resistance thermometers are used to measure the temperature of various technological facilities. Classification structures are devices for automatic temperature control processes and remote transmission of readings, as well as requirements for repair and inspection.

Похожие темы научных работ по электротехнике , автор научной работы — Схиртладзе А. Г., Быков С. Ю., Схиртладзе С. А.,

Текст научной работы на тему «Восстановление работоспособности термоэлектрических термометров и термометров сопротивления»

УДК 621.9

А. Г. Схиртладзе, С. Ю. Быков, С. А. Схиртладзе

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕРМОМЕТРОВ И ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

E-mail: ags@stankin.ru

В статье приведена последовательность выполнения ремонтных работ по восстановлению работоспособности термоэлектрических термометров, а также термометров сопротивления, используемых для измерения температуры различных технологических объектов. Даны классификация конструкций приборов для автоматического управления температурными режимами технологических процессов и дистанционной передачи показаний, а также требования к проведению ремонта и его контролю.

Ключевые слова: термоэлектрический термометр, термометр сопротивления, температура, измерение, контроль, управление, технологический объект, термопара, прибор, датчик, термоэдс, градуировка, факторы, неисправность, чувствительный элемент, каркас, обмотка, слой, медь, платина, плата, отказ, ремонт, эксплуатация, условия, давление, вибрация.

The article contains a sequence of repair work to restore the health of thermoelectric thermometers and resistance thermometers are used to measure the temperature of various technological facilities. Classification structures are devices for automatic temperature control processes and remote transmission of readings, as well as requirements for repair and inspection.

Keywords: thermoelectric thermometer, resistance thermometer, temperature, measurement, control, management, technological object thermocouple device, sensor, thermoelectric power, calibration, factors, failure, sensor, frame, winding layer, copper, platinum, fee waiver, repair, maintenance, condition, pressure, vibration.

Во многих отраслях промышленности эксплуатируется большое количество термоэлектрических термометров и термометров сопротивления. Эти приборы служат в качестве датчиков для автоматического контроля и управления температурными режимами различных технологических процессов и дистанционной передачи показаний. Эти датчики не являются самостоятельными приборами, а функционируют только вместе со специальными измерительными приборами.

Термоэлектрический термометр представляет собой термопару. Один ее конец, размещаемый в объекте измерения температуры, является рабочим (горячим) спаем. Свободные (холодный спай) концы термопары соединены с измерительным прибором.

Для целого ряда проводников, применяемых для термоэлектрических термометров (тер-

мопар), существует вполне определенная зависимость термоЭДС (ТЭДС), возникающая в последних от разности температур горячего и холодного спаев. Величина ТЭДС измеряется милливольтметром или потенциометром постоянного тока, который включен в разрыв холодного спая.

Для выполнения технических измерений чаще используются термопары хромель-алю-мель (ТХА), хромель-копель (ТХК), платино-родий (10 % родия) - платина (ТИП). Реже применяются термопары железо-копель, медь-ко-пель, медь-константан [1].

Градуировкой термоэлектрических термометров (термопар) является обозначение ХА, ХК, ПП, в котором положительным электродом служит электрод, выполненный из материала, стоящего первым в градуировке. Перечисленные термопары имеют интервал измерений от -50 до +1800 °С (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика основных типов термоэлектрических термометров

Градуи- ровка Область измеряемых температур, °С Значение ТЭДС, мВ

Тип Материал термоэлектродов рабочий диапазон кратковременный диапазон

ТПП ПП-1 Платинородий (10 % родия) - платина От -20 до +1300 1600 0-16,7

ТПР ПР30/6 Платинородий (30 % родия) -платинородий (6 % родия) От +300 до +1600 1800 0-13,9

ТХА ХА Хромель-алюмель От -50 до +1000 1300 От -1,86 до +52,4

ТХК ХК Хромель-копель От -50 до +600 800 От -3,11 до +66,4

По устойчивости к воздействию внешних механических факторов термопары подразделяются на обыкновенные, ударопрочные и вибро-устойчивые, а по инерционности - на высокоинерционные (2,5-8 мин), среднеинерционные (1,5-2,5 мин), малоинерционные (0-1,5 мин).

Термопары сопротивления (ТС) по материалу чувствительного элемента подразделяются на медные (ТСМ) и платиновые (ТСП) (рис. 1).

а, б

в

Рис. 1. Термометры сопротивления:

- платиновые, в - медные; 1 - изоляционный каркас, 2 - изолированная проволока, 3 - выводы

Конструкция ТС состоит из изоляционного каркаса 1, на котором выполнена намотка медной или платиновой проволоки. Для защиты от различного рода механических повреждений ТС монтируют в защитную арматуру различного исполнения, что обеспечивает также удобство монтажа ТС на контролируемых объектах (рис. 2).

По точности ТС подразделяются на три класса: по инерционности - на высокоинерционные (до 4 мин), среднеинерционные (10-80 с), малоинерционные (до 9 с). Согласно требованиям к конструкциям и автоматизации промышленных установок, реализующих различного рода технологические процессы, датчики температур имеют монтажную длину в диапазоне от 60 до 3500 мм.

ТС выполняют одинарными или двойными. В двойных ТС вмонтированы два изолированных друг от друга чувствительных элемента. Они используются для одновременного измерения температуры в одной точке двумя приборами.

Рис. 2. Датчики температуры - термометры сопротивления платиновые (ТСП) различных модификаций

В отличие от платины медь как материал обладает рядом недостатков. При высокой температуре и влажности происходит ее окисление, она имеет малое удельное сопротивление. Медные ТС применяются для измерения температуры от -50 до +180 °С, платиновые - от -200 до +650 °С.

Наиболее распространены ТСМ градуировок 50М и 100М, ТСП градуировок 50П и 100П, где числа 50 и 100 обозначают величину сопротивления чувствительного элемента ТС при 0 °С (50 Ом, 100 Ом), а буквы М и П - соответственно материал обмотки.

При изменении температуры ? электрическое сопротивление ТС можно определить по градуировочным данным и по приближенной формуле:

Ъ = *с(1 + а{), где Ят - сопротивление ТС при нагревании на Ї °С; - сопротивление ТС при 0 °С; а - темпе-

ратурный коэффициент (для меди а = 4,3 • 10-3).

Чувствительный элемент ТСМ выполняют путем намотки в несколько слоев на цилиндрическую плату медной проволоки диаметром 0,1 мм. Полученную поверхность покрывают глифталевым лаком, а выводы обмотки изолируют посредством фарфоровых бус. Плату с обмоткой помещают в тонкостенную металлическую гильзу и после - в защитную арматуру (чехол). Выводы ТСМ подключают к зажимам платы, смонтированной в головной части чехла.

Чувствительный элемент ТСП выполняют путем намотки на каркас (100 х 10 мм) платиновой проволоки диаметром 0,05-0,07 мм. Материал каркаса - фарфор, кварц, слюда - обладает высокими электроизоляционными свойствами и термической стойкостью. Обмотку с кар-

касом устанавливают между двумя прокладками из слюды. Затем всю конструкцию собирают в пакет с помощью серебряной ленты. Выводы датчика изготавливают из серебряной проволоки и изолируют фарфоровыми бусами. Чувствительный элемент монтируют в тонко-

стенную трубку из алюминия, а затем в защитный чехол, выполненный из нержавеющей стали. Выводы датчика подключают к зажимам платы, расположенной в головной части защитного чехла. Технические характеристики ТС даны в табл. 2.

Таблица 2

Технические характеристики термометров сопротивления

Платиновый 50П От -200 до +650 50

ТСП 100П От -200 до +650 100 0,1 -

Медный 50М От -50 до +200 50

ТСМ 100М От -50 до +200 100 0,1 0,1

Таблица 3

Градуировка платинового термометра сопротивления 50П (й„=50 Ом)

Ґ, °С Я, Ом Ґ, °С Я, Ом Ґ, °С Я, Ом Ґ, °С Я, Ом

-200 8,654 20 53,95 260 99,61 640 164,94

-180 12,99 40 57,89 280 103,26 650 166,55

-160 17,28 60 61,80 300 106,88

-140 21,50 80 65,69 320 110,49

-120 25,68 100 69,55 400 124,68

-100 29,81 120 73,39 420 128,16

-80 33,90 140 77,21 460 135,07

-60 37,97 160 81,00 500 141,88

-40 42,00 180 84,77 540 148,59

-20 46,01 200 88,51 580 155,20

0 50,00 220 92,23 620 163,34

Градуировка медного термометра сопротивления 50П (й„=50 Ом)

Таблица 4

Ґ, °С Я, Ом Ґ, °С Я, Ом

-50 39,24 80 67,12

-40 41,40 100 71,40

-30 43,56 120 75,67

-20 45,28 140 79,95

0 50,00 160 84,23

20 54,28 180 88,51

40 58,56 200 92,79

60 67,12

В процессе эксплуатации вследствие действия систематических и случайных факторов происходит потеря работоспособности термодатчиков, и они требуют ремонта [2, 3]. Главными факторами, влияющими на погрешность измерения температуры технологических объектов, являются инерционность термодатчиков, неправильный их монтаж, нарушение правил эксплуатации. Инерционностью термодатчиков

Таблица 5

Градуировка платинового термометра сопротивления 50П (й„=50 Ом)

Ґ, °С Я, Ом Ґ, °С Я, Ом

-200 17,30 240 191,87

-160 34,55 280 206,52

-120 51,35 320 220,98

-180 67,81 360 235,26

- 40 84,01 400 249,39

0 100,00 440 263,26

40 115,79 480 276,97

80 131,38 520 290,49

120 146,79 560 309,82

160 162,00 600 316,96

200 177,03 640 329,89

можно пренебречь, если температура технологического объекта изменяется с малой скоростью. При больших скоростях изменения температуры контролируемого объекта инерционность термодатчика нужно учитывать. Это обусловлено тем, что появляется значительная

разница в показаниях прибора и действительной температурой технологического объекта.

Если термодатчики применяются в условиях высоких давлений и агрессивных сред из-за наличия защитных гильз, возрастает их инерционность. Для ее сокращения зазор между установочной гильзой заполняют по всей длине средой, обладающей высокой теплопроводностью. При температуре от 0 до 200 °С используют компрессорное масло, больше 200 °С -бронзовые или чугунные опилки.

Основными неисправностями термоэлектрических термометров и термометров сопротивления являются: обрыв чувствительных

элементов, замыкание элементов на корпус, межвитковое замыкание ТС, понижение вели-

чины сопротивления изоляции, механические повреждения защитной гильзы.

Сопротивление изоляции обмотки ТС и термопары можно замерить мегомметром на 500 В. Целостность обмотки и значение сопротивления термометра можно определить посредством лабораторного моста и образцового моста. Снижение сопротивления по сравнению с градуировочными данными может происходить из-за виткового замыкания датчика или утечки тока через блок зажима.

При наличии обрывов обмотки термометров сопротивления их следует заменить новыми чувствительными элементами аналогичной градуировки. При отсутствии последних необходимо осуществить ремонт ТС.

Рис. 3. Последовательность ремонта медных термометров сопротивления (ТСМ)

Ремонт медных термометров (рис. 3) сопротивления (ТСМ) состоит в изготовлении (намотке) чувствительного элемента. Вначале нужно демонтировать бандаж датчика и слюдяные пластины. Каркас необходимо покрыть бакелитом и высушить. Затем на каркас нужно намотать с равномерным шагом медный изолированный провод диаметром 0,1 мм. Каждый слой обмотки следует покрыть глифталевым или бакелитовым лаком и этот элемент высушить. Затем для обеспечения стабильной характеристики термопар сопротивления элемент необходимо подвергнуть старению при температуре 150 °С в течение 6 часов. После остывания следует выполнить

проверку, подгонку и сравнение характеристики элемента с градуировочными данными. Перед сборкой ТСМ нужно припаять выводы зажимов к концам чувствительного элемента и затем осуществить сборку.

При ремонте платиновых (ТСП) термометров сопротивления (рис. 4) следует выполнить демонтаж изоляционных бус, разобрать чувствительный элемент, отделив его от слюдяных накладок, стяжной ленты и каркаса. Обрыв чувствительного элемента можно устранить сваркой платиновой проволоки в растворе поваренной соли или в электрической дуге переменным током напряжением 20-24В. Затем

ТСП собирают и помещают в защитный чехол. Сопротивление изоляции собранного ТСП следует проконтролировать посредством мегомметра. При этом напряжение нужно приклады-

вать на корпус и закороченные выводы термометра. Величина сопротивления изоляции ТСП в зависимости от их исполнения находится в интервале 1-10 Мом.

Рис. 4. Последовательность ремонта термопар из благородных металлов

В случае наличия нестабильности работы и обрывов в термопарах их подвергают ремонту. Термопару следует разобрать и определить состояние рабочего конца и термоэлектродов. Если имеются трещины и обрывы, то места обрывов нужно подвергнуть сварке. Сварку рабочего конца термопары нужно выполнять после скручивания концов электродов в электрической дуге между графитовыми электродами небольшого диаметра (5-10 мм) до получения шарообразного расплавленного окончания на конце электродов термопары.

Устранить обрывы электродов термопар типов ХК, ХА можно посредством дуговой сварки. Для ее выполнения на вторичную обмотку понижающего трансформатора (напряжением 20-30В) нужно подсоединить оборванные части термоэлектрода - с контактом графита к частям термоэлектрода. Возникает дуга, и части свариваются. При ремонте сваркой термопар типов ХК, ХА применяется в качестве флюса бура, которую после выполнения сварки можно удалить путем резкого охлаждения в воде.

При выполнении ремонта термопары из благородных металлов ее нужно отжечь, зачис-

тить и проконтролировать на однородность электродов. Отжиг следует осуществлять путем нагрева электрическим током до температуры 1300 °С в течение одного часа. При этом посредством буры нужно выполнять чистку электродов от оксидов. Однородность термоэлектрических свойств электродов можно проконтролировать милливольтметром, подключенным к свободным (холодным) концам термопары. Затем термоэлектрод нужно поместить в муфельную печь и медленно его перемещать через нее. При перемещении измеряется термо-ЭДС. В случае если последняя больше, чем половина допускаемой погрешности термопары, то это указывает на то, что на данном нагретом участке имеется неоднородность и его следует заменить.

Как термоэлектрические термометры (термопары), так и термометры сопротивления после выполнения качественного ремонта могут применяться при специальном исполнении в различных тяжелых условиях эксплуатации: при значительных давлениях, высоких вибрациях и в агрессивных средах. В зависимости от предлагаемых условий эксплуатации следует

выбрать соответствующие конструкции арматуры, материал и толщину стенок защитных чехлов. Для повышения коррозионной стойкости и износостойкости ряд элементов термометров можно покрыть защитными покрытиями [4, 5].

Восстановление работоспособности термометров продлевает срок их службы и позволяет сократить расходы на приобретение новых приборов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Жарковский, Б. И. Приборы автоматического контроля и регулирования (устройство и ремонт) / Б. И. Жарковский. - М.: Высшая школа, 1989. - 336 с.

2. Схиртладзе, А. Г. Ремонт технологических машин и оборудования / А. Г. Схиртладзе, В. А. Скрябин, В. П. Борискин. - Старый Оскол.: ООО «ТНТ». - 2010. - 432 с.

3. Технологические основы ремонта и восстановления производственных машин и оборудования / А. Г. Схирт-ладзе [и др.]. - Йошкар Ола.: Поволжский ГТУ, 2012. -492 с.

4. Григорьев, С. Н. Технология обработки концентрированными потоками энергии / С. Н. Григорьев, Е. В. Смоленцев, М. А. Волосова. - Старый Оскол.: ООО «ТНТ», 2010. - 280 с.

5. Григорьев, С. Н. Наноструктурные износостойкие покрытия, полученные методами физического осаждения вещества в вакууме / С. Н. Григорьев, А. А. Андреев,

В. М. Шулаев // Упрочняющие технологии и покрытия. -2005. - № 9. - С. 4.