От неопределенности
к стабильности
E-mail:
+7 (484) 399-37-41
 
Датчики температуры с преобразователями термоэлектрическими
Выпускаются по техническим условиям ТУ 4211-002-10854341-2013.
СВИДЕТЕЛЬСТВО об утверждении типа средств измерений RU.C.32.010.A № 54887 от 21 апреля 2014 г.
Датчики температуры КТХА Ех, КТНН Ех, КТХК Ех, КТЖК Ех, КТМК Ех номер по Государственному реестру 57178-14

Характеристики термопар КТХА, КТНН, КТХК, КТЖК, КТМК

КАБЕЛЬНЫЕ  ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (Характеристики термопар).
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА.

Кабельная термопара представляет собой гибкую металлическую трубку с размещёнными внутри нее одной или двумя парами термоэлектродов, расположенными параллельно друг другу. Пространство вокруг термоэлектродов заполнено уплотненной мелкодисперсной минеральной изоляцией. Термоэлектроды кабельной термопары со стороны рабочего торца сварены между собой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.


kabel 2 i 4-print

Рис. 1.  Заготовка для кабельной термопары
с одной и двумя парами термоэлектродов

В соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии МЭК 61515 «Термопары и термопарные кабели с минеральной изоляцией» кабельные термопары производятся наружным диаметром от 0,5 до 8,0 мм с термоэлектродами образующими термопару типа T, J, E, K, N с номинальной характеристикой соответствующей стандарту МЭК 60584-1. В качестве изоляции используется мелкодисперсная окись магния или окись алюминия с чистотой не ниже 96%.


ktxa1

Рис. 2.  Общий вид кабельной термопары

ktxa1-razrez

Высокая плотностьизоляции кабельной термопарыпозволяет навивать её на цилиндр радиусом, равным пятикратному диаметру кабеля, без изменения технических характеристик термопары. Например, термопару диаметром 3 мм можно навить на трубу диаметром 30 мм. При этом не происходит замыкания электродов между собой или с оболочкой. Надежная изоляция обусловлена технологией изготовления термопарного кабеля. Из окисимагния или алюминия методом сухого прессования изготавливают двухканальные бусы, в которые вставляют термоэлектроды, сборку помещают в трубу диаметром около 20 мм и многократно протягивают через фильеры, проводя промежуточный отжиг в среде водорода или аргона.

1 спай-ok

2 спай-ok

один спай (изолирован от оболочки)

два спая (изолированы от оболочки и друг от друга)

spay2-n-print

spay4-n-print

один спай (неизолирован от оболочки)

два спая (неизолированы от оболочки и друг от друга)

Рис. 3.  Организация рабочего спая кабельного термопреобразователя

Одним из наиболее сложных и ответственных этапов в технологии изготовления термопары является сварка рабочего спая (спай термопары). В ПК «ТЕСЕЙ» сварка осуществляется в импульсном режиме на технологических установках лазерной сварки и специализированном сварочном агрегате. В процессе сварки, которая производится внутри оболочки кабеля, могут возникать технологические дефекты в сварном шве. Дефектом рабочего спая термопары является наличие в нем микротрещин, непровара, пор, свищей, утонения электродов. Указанные дефекты приводят к преждевременному разрушению рабочего спая, особенно при воздействии тепловых ударов и при эксплуатации термопар в режиме термоциклирования. Для контроля качества рабочего спая, специалистами компании «ТЕСЕЙ» изобретены, запатентованы и внедрены всерийное производство способ и устройство его реализующее, гарантирующие обнаружение дефектов при выходном контроле. Способ контроля основан на использовании явления Пельтье, не имеет аналогов и наряду с устройством применяется при выходном контроле кабельных термопар только на нашем предприятии.

RIS2-1RIS2-2
Рис. 4.  Возможные дефекты рабочего спая кабельной термопары:
а) дефектов нет;   б) несплавление термоэлектродов;   в) утонение зоны сварного шва;
г) микротрещины и поры в зоне сварного шва

Внедрение в технологический процесс специализированного сварочного агрегата позволило повысить качество сварного шва рабочего торца термопары за счет увеличения глубины провара. Это позволило существенно увеличить рабочий ресурс термопар в жаростойких оболочках с наружным диаметром ≥ 3 мм.

адс1%20copyадс2%20copyадс3 copy+
Рис. 5. сваркакабельной термопары

Многочисленные исследования показали более высокую стабильность кабельных ТП по сравнению с обычными проволочными. Так, изменение показаний кабельных термопар типа ХК диаметром 4 мм (диаметр электрода 0,85 мм) при 425 ±10°С за 10000 часов не превышает 0,5°С, а за 25000 часов составляет +1,15°С, тогда как для проволочных достигает 1°С за 10000 часов.

Сравнительные испытания термопар типа ХА показали, что изменение термо-э.д.с. кабельной термопары наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800°С за 10000 часов составляет примерно 2,5°С, тогда как у обычной термопары ТХА с термоэлектродами диаметром 3,2 мм оно достигает 3°С, а при диаметре электродов 0,7 мм превышает 200–250 мкВ (5-6°С) при тех же условиях (рис.6). Изменение термо-э.д.с. кабельных термопар в оболочке из высоко-никелевых сплавов при 980°С также вдвое меньше, чем у обычной термопары при той же температуре за 5000 ч. Изменение показаний проволочной термопары ТХА с электродами диаметром 3.2 мм достигает 11°С за 1000 ч при температуре 1093°С, а при 1200°С – 12,5°С за 200 ч. Повышенная стабильность кабельных термопар (рис. 7) объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды металлической оболочкой и оксидом магния.

Рис. 6.  Изменение термо-э.д.с. термопарного кабеля
КТМС-ХА (1) и термопары ХА в обычном исполнении (2)
при 800°С. Диаметр электродов – 0,7 мм

Рис. 7. Изменение термо-э.д.с. термопарных кабелей
КТМС-ХА после нагрева на воздухе при 800°С.
Цифры на рисунке — диаметр кабелей, мм

Ещё одним несомненным достоинством кабельных ТП является способность выдерживать большие рабочие давления. Преобразователи КТХК 02.01 (диаметр 3 мм, оболочка AISI 321) производства ПК «ТЕСЕЙ» с припаянной монтажной втулкой для уплотнения «шар по конусу» успешно эксплуатировались в реакторе высокого давления на комплексе полиолефинов “Пластполимер” (г. Санкт-Петербург) при давлении 150 МПа, температуре 100–300°С, скорость движения газа 9,2 м/с, колебания давления до 2,5 МПа.

Говоря о характеристиках термопар и резюмируя всё вышесказанное о кабельных термопарах, можно подчеркнуть их основные достоинства, такие как:

  • более высокие термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс по сравнению с проволочными термопреобразователями (в 2–3 раза);
  • возможность изгиба, монтажа в труднодоступных местах, в кабельных каналах, при этом длина ТП может достигать нескольких сотен метров. Термопары можно приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры;
  • малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их для регистрации быстропротекающих процессов;
  • универсальность применения для различных условий эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость;
  • способность выдерживать большие рабочие давления;
  • изготовление на их основе термопреобразователей в защитных чехлах блочно-модульного исполнения, обеспечивающих дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и создающих возможность оперативной замены термочувствительного элемента.

При температурах выше 1000°С рекомендуется применять термопреобразователи КТНН.
Термоэлектрические преобразователи КТНН помимо всех преимуществ кабельных термопреобразователей имеют дополнительные достоинства:

  • повышенная в 2–5 раз термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс термопары КТНН по сравнению с термопарой КТХА при сравнимых рабочих условиях. Материалы термоэлектродов (нихросил и нисил) демонстрируют более высокую стабильность термо-э.д.с., за счет увеличения концентрации хрома и кремния в никеле, а также введения в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из внутреннего межкристаллитного в поверхностный. При этом на термоэлектродах образуется защитная пленка окислов, подавляющих дальнейшее окисление; увеличение содержания хрома в нихросиле до 14,2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля;
  • повышенная термоэлектрическая стабильность термопар НН(N) при их индивидуальной градуировке во многих случаях позволяет рекомендовать замену платиновых термопар градуировки ПП(S) 2 класса точности в диапазоне 1000–1200°С на более дешевые термопары КТНН;
  • высокая чувствительность термопары НН(N) по сравнению с платинородий-платиновой термопарой ПП(S).

К достоинствам термопреобразователей КТЖК можно отнести высокую чувствительность (50–65 мкВ/°С) термопары ЖК в диапазоне температур 600–750°С и ее устойчивую работу в окислительной, восстановительной и нейтральной средах.

Более подробно со свойствами термопар вообще и преимуществами кабельных термопар Вы можете ознакомиться в публикациях специалистов ООО «ПК «ТЕСЕЙ», которые доступны зарегистрированным пользователям в разделе «Публикации» на сайте компании www.tesey.com

ЗАЩИТНЫЕ ЧЕХЛЫ ДЛЯ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

При работе в потоках жидкости или газа, движущихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях (свыше 4 МПа) и температурах, в агрессивных средах, кабельные термопреобразователи помещаются в защитные чехлы (гильзы), предохраняющие их от изгибов и разрушений. Защитные чехлы имеют типовые габаритные размеры.

Термопреобразователи, конструкция которых является разборной и состоит из кабельной термопары, служащей в качестве сменного термочувствительного элемента (ТЭ), и защитного чехла, называют термопреобразователями блочно-модульного исполнения (конструктивные модификаций 01.05, 01.06, 01.07, 01.08, 01.16, 01.19, 01.20, 01.25 и т.п.). Они, сохраняя все преимущества кабельных ТП, приобретают следующие достоинства:

  • возможность замены термочувствительного элемента без демонтажа защитного чехла с объекта;
  • возможность одновременной поверки большого числа чувствительных элементов вследствие их малогабаритности;
  • удешевление последующих поставок, так как, при необходимости, заменять можно только наружный чехол или только ТЭ.

Одним из важнейших факторов,обеспечивающих рабочий ресурс, является герметичность защитного чехла. Ограничение доступа кислорода внутрь чехла увеличивает ресурс эксплуатации кабельной термопары, являющейся чувствительным элементом термоэлектрического преобразователя.

Для производства датчиков типа КТНН и КТХА,предназначенных для измерения температур выше 800°С рекомендуется сталь AISI 310, сплавы ХН45Ю и Kanthal АРМ. Чувствительный элемент таких датчиков может иметь оболочку из стали  AISI 310,  AISI 446, сплавов Inconel 600, Alloy 740.

Для измерения температур при температурах до 1100°С включительно рекомендуем обратить внимание на датчики термопарыс чехлами из стали AISI 310. В большинстве случаев они имеют оптимальное соотношение стоимости к ресурсу.

Технические характеристики стали AISI 310S.

Температура начала интенсивного окалинообразования  1150°С.

Максимальная температура применения стали AISI 310 в различных средах:


Воздух

1100°С

Окислительная серосодержащая атмосфера с низким содержанием S, Na, V

1000°С

Восстановительная серосодержащая атмосфера с низким и высоким содержанием S, Na, V

850°С

Окислительная серосодержащая атмосфера с высоким содержанием S, Na, V

600°С

Характеристика жаростойкости стали AISI 310:


Условия испытания

Температура, °С

Скорость окисления, мм/год

Воздушная среда; охлаждение до комнатной температуры 1 раз в неделю

1095

0,29

Воздушная среда; охлаждение обдувом до 260°С каждые 30 мин

1095

0,6

Воздушная среда; охлаждение до комнатной температуры 1 раз в неделю

1150

0,98

Конструкция термопреобразователя с металлическим чехлом из стали AISI 310 защищена патентом на полезную модель № 41190.

Для измерения температур при температурах выше 1100°С и в агрессивных средах рекомендуем обратить внимание на датчики термопары модификаций 01.19, 01.20 и 01.25

Материалы, используемые для защитных оболочек и чехлов термопреобразователей


Материал
чехла

Обозначение

Верхний предел рабочей
температуры
°С

Область применения

Примечание

Аустенитные стали 12Х18Н10Т,
08Х18Н10Т,
08Х18Н10

С10**

800

Энергетика, металлургия, машиностроение, печи отжига, производство кислот, бумажная промышленность, очистка сырой нефти и производство бензина, пищевая промышленность

Не рекомендуется для использования в присутствии серы или пламени в восстановительной среде. При наличии в среде углерода не рекомендуется применять в диапазоне температур 500–850°С

Сталь AISI 304,
AISI 304L

Сталь
AISI 321

С321

Высокая стойкость к ряду агрессивных сред, включая горячие неочищенные нефтепродукты и газообразные продукты горения. При наличии в среде СО2  не рекомендуется применять при температуре выше 650°С

Аустенитные стали 10Х17Н13М2Т (ЭИ448),
08Х17Н13М2Т

С13

900

Повышенная стойкость к окислению, воздействию кислот и других сред повышенной агрессивности

Повышенная стойкость к питтинговой коррозии в средах, содержащих ионы хлора, по сравнению с хромоникелевыми сталями типа 18-10.
Пониженная стойкость к межкристаллитной коррозии в средах окислительного характера.
Устойчива к появлению раковин, хорошая сопротивляемость соленой воде и агрессивным промышленным воздействиям

400

При работе в условиях воздействия кипящей фосфорной, серной, 10%-уксусной кислоты и сернокислых средах

Сталь AISI 316
(06Cr17Ni12Mo2),
аналог
08Х17Н13М2Т

С316

900

Может быть использована  продолжительно при температуре до 900°С.
Повышенная стойкость к окислению, воздействию кислот и других сред повышенной агрессивности

400

При работе в условиях воздействия кипящей фосфорной, серной, 10%-уксусной кислоты и сернокислых средах

Ферритная сталь 15Х25Т
(ЭИ439)

Т00

1000

Для замены чехлов из 12Х18Н10Т при повышенных температурах. Устойчива в серосодержащих средах

Не рекомендуется воздействие ударных нагрузок, а также эксплуатация при 400–700°С (склонна к охрупчиванию).Температура начала интенсивного окалинообразования 1050°С

Аустенитные стали
10Х23Н18,
20Х23Н18
(ЭИ417)

Т18

1000

Установки конверсии метана, пиролиза, камеры сгорания, установки в химической и нефтяной промышленности

В интервале 600-800°С склонны к охрупчиванию. Температура начала интенсивного окалинообразования 1050°С

Сталь AISI 446

Т446

1100

Печи закаливания, азотирования и отпуска, расплавы цветных металлов, серосодержащие  среды, печи асфальтовых заводов, дымоходы  стекловаренных печей

Превосходная стойкость к коррозии в окислительных и восстановительных средах при высоких температурах. Не рекомендуется применять в атмосфере, содержащей углерод

Сталь AISI 310
(12Cr25Ni21)

Т310

1100

Паровые котлы, доменные печи, печи для обжига цемента и кирпича, производство стекла, нефтедобывающая и нефтехимическая промышленность, электростанции

Хорошая сопротивляемость окислению и воздействию серы. Благодаря высокому содержанию хрома, материал устойчив к кислым водным растворам, хлорной коррозии, к цианистым и нейтральным расплавам солей при высоких температурах, устойчив в атмосфере, содержащей СО2, до 900°С. Не восприимчив к зеленой плесени

Сплав
Inconel™ 600
(15Ni72Cr(14-17)
Fe(6-10) Mn1)

Т600

1100

Атомные и гидроэлектростанции, печи закалки и отпуска, производство пластмасс, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность, паровые котлы, авиастроение

Не рекомендуется применять с газами, содержащими углекислый газ и серу при температуре выше 550°С и натрий при температуре выше 750°С

Сплав Alloy 740

Т740

1250

Нагревательные печи, стекольная промышленность, производство керамики, производство алюминия

Сопротивляемость окислению выше, чем у Inconel, остальные характеристики такие же

Сплав на железо-никелевой основе ХН45Ю (ЭП747)

Т45

1250

Металлургия и машиностроение, высокотемпературные печи различного назначения, производство перлита, обжиг керамической плитки

Рекомендуется для замены сплава ХН78Т

Сплав железо-хромалюминиевый
Kanthal АРМ

ТАРМ

1250

Металлургия и машиностроение, высокотемпературные печи различного назначения

Рекомендуется к использованию в серосодержащих атмосферах и атмосферах с высоким углеродным потенциалом, так как обладает высокой устойчивостью к воздействию серы, серосодержащих соединений и к науглероживанию

Чугун марки СЧ

СЧ

800

Расплавы алюминиевых сплавов

Стойкость в расплаве от 14 до 30 дней в зависимости от марки сплава и условий эксплуатации

Керамика
алюмооксидная

К795, К799

1250

Высокотемпературные газовые среды при отсутствии интенсивного воздействия абразивных частиц

Не рекомендуется воздействие механических нагрузок

Керамика
на основе
нитрида кремния

К101

1200

Расплавы цветных металлов

Не рекомендуется прямое воздействие пламени горелки и механических нагрузок ударного характера

Карбид кремния

КК

1250

Высокотемпературные газовые среды; наличие в среде абразивных частиц

Не рекомендуется воздействие механических нагрузок ударного характера

  • * условное обозначение материала металлического чехла, принятое в ПК «ТЕСЕЙ»:
  • буквы Т или С указывают максимальную температуру применения ТП (С – 800–900°С; Т – 1000–1250°С);
  • двузначное число в индексе указывает процентное содержание никеля в стали или сплаве отечественного производства;
  • трехзначное число в индексе применяется для стали или сплава зарубежного производства;
  • для обозначения материала керамического чехла используется буква К.
  • ** при изготовлении защитных чехлов без дополнительного согласования допускается взаимозамена аустенитных сталей12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 08Х18Н10, AISI 304 и AISI 304L, которая не влияет на качество и технические характеристики термопреобразователей, так как эти материалы обладают аналогичными свойствами.

Температура начала интенсивного окалинообразования некоторых сталей в воздушной среде

Сталь

Температура окалинообразования, °С

Аустенитные стали  12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т

850

Аустенитные стали  10Х23Н18, 20Х23Н18

1050

Ферритная сталь 15Х25Т

1050

Сплав на железо-никелевой основе ХН45Ю

1300

Сплав на железо-хромалюминиевой основе KanthalАРМ

1300

Характеристика жаростойкости некоторых легированных сплавов


Сталь или сплав

Условия испытания

Температура, °С

Скорость окисления, мм/год

ХН45Ю

Спокойный воздух

1200

0,08

ХН45Ю

Спокойный воздух

1250

0,1

ХН45Ю

Спокойный воздух

1300

0,24

ХН45Ю

Поток чистого воздуха

1050

0,82

ХН45Ю

Поток воздуха, содержащий 1,5 % SO2

1050

0,96

KanthalАРМ

Спокойный воздух

1100

0,015

ХН78Т

Спокойный воздух

1150

0,2

20Х23Н18

Спокойный воздух

900

0,05

20Х23Н18

Спокойный воздух

1000

0,5

15Х25Т

Спокойный воздух

1050

0,35

15Х25Т

Поток чистого воздуха

900

0,39

15Х25Т

Поток воздуха, содержащий 1,5 % SO2

900

0,54

15Х25Т

Продукты сгорания природного газа за 100 часов

1050

разрушение

При составлении таблиц использованы действующие стандарты и справочники:

  • ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки»;
  • Справочник «Марочник сталей и сплавов», «Машиностроение», 2001;
  • Справочник «Коррозионностойкие жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы», «Интермет Инжиниринг», 2000;
  • MNL 12/Manual on the use of thermocouples in temperature measurement. Fourth Edition./ASTM manual series;
  • Metals Handbook, American Society for Metals;
    а так же данные публикаций Analytical Reference Materials International и Special Metals Corporation.