info@general-test.com.ua
Методика подбора термоэлементов
 13.09.2017
 (109 просмотров)

Методика подбора термоэлементов

Настоящий сборник инструкций и советов предназначен для инженеров, не знакомых с технологией температурной чувствительности*. Статья ставит своей целью сыграть роль хорошей отправной точки при решении проблем, связанных с измерениями температур в различных условиях и средах.

*под термином «температурная чувствительность» подразумевается считывание температурных характеристик с тестируемого объекта 


В приводимых ниже материалах рассматриваются следующие вопросы:

Различные технологии температурной чувствительности  

Определяющие критерии при принятии решений 

Обычные методы чувствительности  

Как использовать температурные сенсоры 

Подбор надлежащего сенсора при решении конкретных проблем 

 

Кроме того, на сайте компании Peak Sensors Ltd представлены разделы «Термопары» и «Термометры сопротивления», содержащие подробную информацию обо всех типах и разработках температурных сенсоров.

 

Подбор температурного сенсора

Настоящий раздел разбит на три секции: 

Требования к информационным данным – Какая температура измеряется и каковы требования к точности результатов измерений? 

Экономические соображения – Сколько вы готовы потратить и как долго вы рассчитываете пользоваться сенсором? 

Вопросы применений – Среда эксплуатации сенсора и как она влияет на его конструктив? 

 


Требования к информационным данным

 

Тип температурного сенсора, который вы подбираете для себя, будет зависеть от требуемого температурного диапазона и точности генерируемых им результатов измерений.  

 

Температура

На модель выбираемого вами температурного сенсора будут влиять характеристики обычной температурной среды, в которую будет помещён этот самый сенсор, а также и параметры сверх температур, которым будет подвергаться сенсор.    

 Ввергая температурный сенсор в предельно допустимые для него значения эксплуатации и держа его в таких условиях на протяжении длительного периода времени, приведёт к появлению ошибок в показаниях (т.н. вызванные отклонения), после чего температурный сенсор начнёт регистрировать более низкие параметры температур, чем они на самом деле имеют место.  

 Если вы используете температурный сенсор в экстремальных температурных средах, то наилучшим вариантом будет однократное применение этого устройства, тем самым вы убережёте его от постоянной выдачи искажённых данных в будущем. И наоборот, если сенсор эксплуатируется в рамках установленных для него рабочих температур, то отклонения в его показаниях не произойдут и самим устройством можно будет пользоваться многократно на протяжении долгого времени, при этом ваш сенсор будет генерировать только достоверные результаты. 

 

Ниже приводимая диаграмма должна помочь вам в выборе сенсора, подходящего для решения конкретных задач:


 

 Точность

Различные типы сенсоров обладают различными допустимыми отклонениями по точности. Все сенсоры, которые мы продаём, находятся в допустимых пределах допуска погрешностей своих показаний, как это определено Европейскими стандартами (IEC 584, 1515 etc.). 

Если небольшие погрешности допустимы при решении ваших задач, то стандартные сенсоры вполне приемлемы. Наши сенсоры поставляются заказчикам с гарантированными возможностями работы в границах установленных погрешностей, что было доказано, даже когда наши устройства подвергались испытанию своих технических характеристик в экстремальных условиях. Все наши сенсоры производятся из калиброванных материалов, при этом вместе с продукцией мы поставляем и официальные сертификаты для документального доказательства задекларированных характеристик. При необходимости мы осуществляем дополнительную калибровку с выдачей соответствующего документа.

 

Если выдвигаются более жёсткие требования в отношении допустимых отклонений в показаниях, то все модели сенсоров могут поставляться с калибровочными сертификатами. Если же заказчики предъявляют высокие требования к допустимым отклонениям и при этом необходимо ещё и документальное подтверждение этому, то все наши сенсоры подвергаются тестам в специализированных лабораториях UKAS, после чего выдаётся сертификат UKAS. Такого рода калибровки осуществляются в полностью контролируемой среде, при этом достигаются самые высокие параметры по точности, которые только можно получить. 

 

Ниже приводится диаграмма допустимых отклонений по точности, присущих сенсорам предельных температурных значений:



Экономические соображения

Имеется множество факторов, воздействующих на стоимость температурного сенсора, таких как:

Количество необходимых сенсоров 

Размеры материалов 

Значения считываемых рабочих и максимальных температур 

Предполагаемый жизненный цикл и срок эксплуатации сенсора 

Возможности повторного использования компонентов при ремонтах сенсора 

Стоимость сенсора как утильсырья 

Жёсткость требований по калибровке 

Время на запуск сенсоров в эксплуатацию после завершения её поставки

 

Наша политика в защиту окружающей среды заключается в том, чтобы работать с заказчиками таким образом, чтобы минимизировать воздействие нашей продукции на окружающую среду посредством максимально возможного повторного использования компонентов сенсоров. Наша продукция соответствует всем мировым хартиям и стандартам в этой области.    

Чем больше будет предоставлено информации о требованиях к продукции, тем легче будет нам разработать температурный сенсор, наиболее полно соответствующий техническому заданию и размеру бюджета заказчика.

 

Диаграмма, приводимая ниже, сможет помочь в определении типов сенсоров, которые вы должны использовать:




Учёт условий применения сенсоров

Температурные сенсоры состоят не только из самих сенсоров, но также и из средств их защиты. Порой тратится больше времени на подбор наилучшей системы защиты, чем на выбор какой-либо конкретной модели сенсора. Средства, которым сенсор защищается, называется защитным кожухом и его подбор может осуществляться независимо от типа сенсора.

 

Функции защитного кожуха 

Предотвращение попадания пыли или чего-нибудь ещё, способного загрязнить температурный сенсор 

Защита сенсора от давления, ссадин или химического воздействия по ходу производственного процесса 

Обеспечение средств для доступа сенсора к параметрам производственных процессов  

Обеспечение того, что сенсор считывает именно температурные характеристики производственного процесса 

Обеспечение средств лёгкого демонтажа сенсора 

Защита сенсора при транспортировке, хранении, использовании 

 

Температурные сенсоры могут быть разделены на две группы с различной приоритетностью защиты: 

 

Температурные сенсоры, эксплуатирующиеся в умеренном и лёгком режимах 


Основные аспекты конструкции: согласованность в монтажных и связных компонентах

В основном используются со стационарным оборудованием 

Могут быть больших и средних размеров 

Измерения невысоких температур 

Совместная сборка кожуха и сенсора 

Невысокая стоимость 

Могут иметь конструктив как однократного применения, так и для длительной эксплуатации 

Необходимость приложения больших усилий в отношении создания оптимального конструктива для снижения стоимости всего устройства, предназначенного для специфических применений 

 

Сенсоры для жёстких условий эксплуатации (высокотемпературные или для применений в агрессивной химической среде) 


Основные аспекты конструкции: необходимость правильного подбора материала защитной оболочки 

В основном применяются на фабриках и заводах 

Более маленьких размеров 

Измерения высоких температур  

Агрессивные среды – химические атаки, давление, коррозия, науглероживание  

Лёгко демонтируются для ремонтных работ или восстановления металлических компонентов 

Существенно более высокая стоимость 


 Температурные сенсоры, эксплуатирующиеся в умеренном и лёгком режимах 


Сенсоры таких моделей не эксплуатируются до своих предельных характеристик. Они могут быть дешёвыми, достаточно надёжными и обладать форм фактором, благодаря которому их легко применять при решении конкретных задач. Имеется три основных типа сенсорных конструктивов: 

 

1. Температурные сенсоры на гибком кабеле 

Такого типа сенсоры легко делаются из кабеля, при этом они могут быть как термометрами сопротивления, так и термопарами. Измеряющая точка может быть защищена металлическим карманом или пластиковой насадкой. Температурный предел определяется максимальной температурой, которую может переносить кабель. Такого типа сенсоры совсем недороги в производстве. Оба конца сенсора могут быть легко адаптированы под ваши условия, как например, наличие высокой чувствительности или штепсельной розетки для соединения с основным оборудованием.  



 

Кабельные температурные сенсоры с открытым контактным сочленением 

Некоторые условия применения сенсоров могут быть настолько умеренными, что отсутствует необходимость в защите контактного сочленения или даже его изоляции. Такие сенсоры – самые дешёвые. При этом они не менее надёжны в работе или точны, чем любые иные типы сенсоров, но уязвимы к пыли, грязи, наслоениям или элементам малейшей неправильной эксплуатации. Мы рекомендуем эксплуатировать их очень ограниченное время, если у вас нет намерения устанавливать на такие сенсоры защитные кожухи. Сенсоры такого вида настолько дешёвы, что могут применяться однократно. 


 

 

Базовый изолированный элемент термопары 

Как специальное исключение, присутствующее у этого типа кабельных сенсоров, имеются платиновые элементы, сконструированные таким образом, чтобы использовать их в условиях высочайших температур. Гибкий изолятор заменён на керамическую трубку, таким образом, сам кабель становится уже не гибким. При условии, что упомянутые платиновые элементы будут расположены внутри надёжного керамического рукава, они будут функционировать долго и надёжно. 

 

 

 

2. Температурные сенсоры в жёсткой металлической трубке 

Сенсоры, монтируемые в жёстких металлических трубках, представляют собой недорогое решение при достаточной прочности всей своей конструкции. Сами сенсоры могут быть как прямыми по форме, так и изогнутыми, согласно спецификациям заказчика. Как только сенсор произведён и зафиксирован в металлической трубке, на всю конструкцию накладывается печать таким образом, чтобы диаметр на холодном конце не был увеличен. Существует множество типов металлических трубок, которые могут успешно применяться с большинством моделей чувствительных элементов, вставляемых в эти самые трубки, тем самым обеспечивая возможности для множества тестовых комбинаций. Трубки могут иметь сварной технологический фитинг, прикрепляемые компоненты головного соединения, при этом всему конструктиву можно придавать самые причудливые формы в зависимости от задач применений. Если нет целей выставлять чувствительные элементы незащищёнными под самые жёсткие условия тестируемых сред, то вся конструкция сенсора производится из нержавеющей стали, хотя можно применять и другие материалы.  


3. Кабели с неорганической изоляцией 

Кабели с неорганической изоляцией состоят из проводников, окружённых инертным порошком высокой плотности (окись магнезия).  Порошок удерживается на месте металлическим рукавом. Изоляционное сопротивление свыше 100 МОм присутствует между каждым проводником и между рукавом и проводниками. Для применений в условиях умеренной агрессивности сред используется кабель MI, поскольку он всегда под рукой, более жёсткий чем гибкие кабели, легко сгибаем в любые формы, при этом обладает свойством их сохранять, и при всём этом, сам материал кабеля обычно очень прочный.



Сенсоры с неорганической изоляцией характеризуются следующим:  

Плотно интегрированная конструкция, предназначенная для измерений высоких температур при возможных сильных механических воздействиях 

Высокая точность генерируемых результатов и стабильность работы на протяжении всего срока эксплуатации 

Высокая чувствительность 

Наличие диаметров в диапазоне от 0.25mm до 10.8mm 

Устройства могут быть сгибаемы, скручиваемы, даже сплющены – возможны любые конфигурации, чтобы соответствовать областям применений  

Очень длинные сенсоры могут поставляться скрученными в витки, после чего легко распрямляться для установки на монтажной площадке  

Бесшовная металлическая трубка выполняется из различных сплавов для соответствия множественным задачам приложений. Можно использовать все известные типы проводников 

Рабочие спаи могут быть изолированными (обычно), заземлены или обнажены. 



Температурные сенсоры для применений в агрессивных средах 

 

Такого рода сенсоры часто эксплуатируются на пределе своих физических возможностей. Природа и свойства применяемых в этих сенсорах материалов налагает серьёзные ограничения на их конструктив и форм фактор, когда приходится увеличивать размеры сенсоров, утолщать их секции и ограничивать выбор типа материала, из которого эти сенсоры производятся. Существуют три основные проектные формы сенсоров для агрессивных сред. Главные технологический резистивный компонент играет роль первой скрипки при выборе описываемых устройств.

 

Керамические рукава

Керамические материалы способны работать с самыми высокими температурами, какие только можно встретить в промышленности. Подробные описания свойств каждого типа керамики можно найти в справочниках.

 

Материал
Максимальная температура
Примечание
Сверхкристаллизованный оксид алюминия (RA)
1750 °C
Чистый и жёсткий керамический материал, характеризующийся необычайной твёрдостью и вакуумной непроницаемостью. Обладает замечательными свойствами и стойкостью в окисляющих средах. Отлично противостоит высокотемпературным шоковым воздействиям. Обычно используется с элементами R, S и B.
Глинозёмистый фарфор (AP или IAP)
1500 °C
Хорошая устойчивость к термальным воздействиям. Обычно используется с проводниками J, K, N и E.
Силлиманит 60
1600 °C
Очень хорошая устойчивость к термальным воздействиям. Материал пористый.
Карбид кремния (с глинистым связующим)
1400 °C
Превосходная устойчивость к температурным шоковым воздействиям. Обычно применяются толстые стенки для повышения жёсткости. Пористый материал обычно покрыт обшивочным огнеупорным составом в случае применений платиновых сенсоров. Высокая температурная проводимость. Не пригоден для сильно окисляющих сред. 
Карбид кремния (рекристаллизованный)
1600 °C
Превосходная устойчивость к температурным воздействиям. Пористый материал с огнеупорным покрытием для платиновых сенсоров. Высокая термальная проводимость.
Syalon 101
1000 °C
Устойчивый и крепкий материал для противостояния тепловому воздействию. Применяется с расплавленными металлами, характеризуется низкими наслоениями влаги и окалин. Материал демонстрирует хорошие свойства при измерениях параметров расплавленного алюминия и соляных ванн. Очень дорогой.
Кварц
1500 °C
Низкий коэффициент расширения, высокая устойчивость к высокотемпературным шоковым воздействия


Форм факторы керамических рукавов

Защитные кожухи и рукава иногда применяются отдельно, но обычно имеют либо прикрепляемый металлический хвостовик и/или головную насадку. Таким образом обеспечивается полная непроницаемость и изоляция вставленного во  внутрь конструктива сенсора, кроме того устраняется риск повреждения керамического сегмента при его соприкосновении с технологическими монтажными консолями. 

 

Кожухи или рукава имеют следующие формы:  

Керамический защитный рукав 

Керамический защитный рукав с хвостовиком 

Керамический защитный рукав с хвостовиком и насадкой 

Рекристаллизированная окись алюминия с платиной (& сплав родия)- Полукольцевой 

Рекристаллизированная окись алюминия с платиной (& сплав родия)- Полукольцевой 

 

Сенсорные вкладыши для такого рода рукавов могут быть подобраны в соответствующих справочных таблицах.

 

Высокопрочные металлические рукава для больших температур 

Некоторые приложения имеют место при таких температурах, когда требуются специальные сплавы, способные обеспечить необходимую длительность эксплуатации сенсоров, а также и большую прочность, чем сами керамические защитные кожухи. Используемая трубка обычно должна иметь бесшовный конструктив, а также сварной диск на холодном спае. Диаметр сенсора стандартно составляет от 20 до 30 мм. Поскольку защитный рукав сварной, то простые технологические ответвления могут легко фиксироваться на посадочных местах.  

 

МатериалМаксимальная температураПримечание
310 SS 
1100 °C
Обычно называемый 25/20. Хорошая устойчивость к окислению, воздействию серы и восстановительной газовой среде. Хорошая защита от высоких температур. Диоксид углерода до 900 °C. Непрерывная работа на воздухе при 1150°C без отклонений в показаниях. Не рекомендуется для непрерывного использования в диапазоне 550 °C и 850 °C.
446 SS
1100 °C
Очень хорошая устойчивость к серным газам и солям. Хорошая устойчивость к окислению на воздухе, коррозии от мазутной золы, жидкой меди, свинца, олова. В серной восстановительной атмосфере материал 446 обладает лучшими свойствами, чем аустенитная сталь, хотя нитрогенные концентрации могут привести к появлению преждевременных поломок. Горячие газы, содержащие углеводороды и окиси углерода, могут вызвать процессы цементации. Если кислород присутствует на оксидном слое, то материал 446 ведёт себя хорошо, в противном случае возможны появления внезапных поломок. 
253 MA
1150 °C
Очень хорошая устойчивость к окислению, продуктам горения и процессам цементации. 
353 MA
1175 °C

Очень хорошая устойчивость к окислению, продуктам горения и цементации. Хорошая устойчивость к азотирующим газам. Отличный материал для нефтехимических печей включая крекинговый аммиак.

Alloy 600 (Inconel)
1000 °C
Высоко устойчивый материал к окислению при высоких температурах, особенно при циклических процессах. Хорошая устойчивость к цементации. Устойчивость к серным компаундам и диоксиду углерода только при умеренных температурах. Отличная невосприимчивость к нейтральным и щелочным солевым растворам, а также к большинству кислотным солевым. Хорошие свойства при азотированных атмосферах.
Sanicro 31 HT
1100 °C
Хорошие свойства при солевых растворах для тепловой обработки, цианиде или нейтральных солевых растворах. 
Alloy 800 HT (Incoloy)
1000 °C
Высоко устойчивый материал к окислению при высоких температурах, особенно при циклических процессах. Хорошая устойчивость к цементации. Устойчивость к серным компаундам и диоксиду углерода только при умеренных температурах. Отличная невосприимчивость к нейтральным и щелочным солевым растворам, а также к большинству кислотным солевым. Хорошие свойства при азотированных атмосферах.
Kanthal AF, APM
1400 °C
Высокая устойчивость к атакам серы. Устойчивость к науглероживанию при высоких температурах. Очень небольшое появление окалины снижает загрязняемость термостата. Лучшая передача тепла, чем у керамики.
Kanthal Super
1700 °C
Менее хрупкий, чем керамика. Превосходные свойства в отношении   коррозивности термостата. Подавление электромагнитных колебаний. Очень дорогой. 


Формы высокотемпературных металлических защитных кожухов 

Таким защитным кожухам присущи следующие форм факторы:  

Сварной металлический защитный рукав 

Сварной металлический защитный рукав с фланцем 

Сварной металлический защитный рукав с технологической головкой 

Сварной металлический защитный рукав с насадкой 

Сварной металлический защитный рукав с головкой 

Право угольный металлический защитный рукав 

Чугунный кожух для алюминиевого сенсора 

 

Жёсткие металлические кожухи для химических сред 

Материалы, используемые для этих сенсоров, должны выдерживать химические атаки и давления, ассоциируемые с теми, что присутствуют на химических предприятиях. Вероятность различного рода поломок сенсоров высока, для избегания этого требуется сертификация материалов, тестирование параметров давления, а также и удовлетворение иных технических условий. Первичными материалами должны стать доступные сплавы, специальные составы и усиленные конструкции. Очень часто защитные кожухи и сенсоры производятся согласно чертежам, предоставленным заказчиками. 


321 SS  -  Обычно называемый 18/8. Отличное противодействие коррозии при сохранении пластичности. Используется для защитных покрытий MI для типов J и Pt 100's. Противостоит продуктам горячей сырой нефти, пару и продуктам сгорания. Измерения: диоксид углерода до 650 °C, воздух до 900 °C без температурных вариаций.

316 SS - Превосходная невосприимчивость к коррозии и разрушениям. Имеет сходства с материалом 321 SS, но при лучшей устойчивости к кислоте. Обычно используется на химических предприятиях, а также и во множестве иных промышленных применений.

Monel 400 -  Устойчивость к морской воде, пару, солевым и каустическим растворам. Применяется в теплообменниках. 

Hastelloy C276 -  Устойчивость к коррозии в восстанавливающих и окисляющих атмосферах. Хорошие свойства в агрессивных средах, невосприимчивость к коррозии даже при наличии сварных швов на корпусе защитного кожуха.  

Hastelloy B2 - Очень хорошие свойства в восстанавливающих атмосферах и большинстве кислот.

 

Форм факторы защитных кожухов из вязкого металла 

Ниже приводится перечень таких кожухов, которые мы в состоянии предложить. У нас имеется и множество иных материалов, включая формовки из листовых оболочек или полимерных покрытий:

Сплошная пробуренная выемка - сварная

Сплошная пробуренная выемка - с фланцем 

Сплошная пробуренная выемка – с технологической резьбой 

Сплошная пробуренная выемка – с ответвительным фланцем