Рыбаков - Термоэлектродные провода и кабели (1980)

Рыбаков И. Ф. Термоэлектродные провода и кабели. 1980.

Описываются теоретические основы применения в пирометрии термоэлектродных проводов и кабелей. Разработана классификация термоэлектродных проводов и кабелей. Изложены основные характеристики кабелей и проводов, описаны основные материалы, используемые в их конструкции. Книга содержит рекомендации по применению  термоэлектродных проводов и кабелей, знакомит с основами технологии их  производства и методами испытаний. Книга предназначена для специалистов, работающих в области пирометрии, а также для инженеров и техников кабельного производства.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие современной техники характеризуется широким  применением автоматических методов управления процессами производства. Автоматизация процессов в свою очередь повышает требования к  точности измерения их параметров. В последнее время сложность самих технологических процессов значительно возросла, они зачастую  проходят при высоких параметрах (давлении, температуре и др.). Важнейший параметр технологических процессов многих отраслей промышленности — температура. Поэтому качество температурного контроля часто обусловливает успешную работу производства. Особенно важен этот параметр в энергетических, тепловых и атомных  установках, в химических процессах производства и др. Системы теплового контроля широко используются и в кабельной промышленности. Термоэлектродные кабели и провода, выпускаемые кабельной промышленностью, нашли широкое применение в системах теплового контроля в качестве исходного материала для изготовления термопар и удлинительных проводов, соединяющих термопару с  измерительным прибором.

Потребность народного хозяйства в термоэлектродных проводах и кабелях в  настоящий момент достигает десятков тысяч километров в год, причем к концу десятой пятилетки она вырастет на 30—35%. Особенно значительными темпами повышается потребность в  теплостойких проводах и кабелях с улучшенными электроизоляционными и физико-механическими характеристиками, рассчитанных на работу при температуре 150— 1100°С. Отечественная кабельная  промышленность в основном удовлетворяет эту потребность народного хозяйства. Настоящая книга систематизирует материалы по термоэлектродным кабелям и проводам. В ней описаны конструкции таких кабелей и проводов, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены их параметры, эксплуатационные свойства и методы испытаний, что представляет, по мнению авторов, интерес для специалистов,  работающих в области пирометрии.

В книге рассмотрены теоретические основы применения в  пирометрии термоэлектродных проводов и кабелей. Дан анализ основных  погрешностей, которые могут возникнуть при измерении температуры с помощью термопар. Из-за ограниченного объема книги в ней очень сжато освещена современная технология производства термоэлектродных проводов и кабелей, кратко описаны основные технологические процессы и некоторое современное технологическое оборудование, используемое при их изготовлении. Авторы надеются, что книга будет полезна для  инженерно-технических работников и специалистов, занимающихся вопросами  пирометрии и кабельной техники, а также для учащихся вузов и техникумов, специализирующихся в названных областях техники.

Авторы приносят глубокую благодарность рецензенту рукописи инж. В. И. Светловой за ценные замечания и кандидатам техн. наук И. Л. Рогельбергу и С. К. Данишевскому за редактирование книги и ряд указаний и советов, которые были использованы при ее написании, а также канд. техн. наук Ю. Д. Тювину за предоставленные им сведения о термоэлектродных материалах.

Глава первая

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ПРИМЕНЕНИЯ В ПИРОМЕТРИИ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОПАР

В основу способа измерения температуры с помощью термопар положены термоэлектрические явления. Строгая теория, объясняющая особенность термоэлектрических явлений, пока еще не разработана. Использование этих явлений при измерении температур основано на существовании определенной зависимости между  термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС), возникающей в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурой их соединения.

Для объяснения этого явления можно воспользоваться электронной теорией. В соответствии с ней в металлах имеются свободные  электроны, количество которых, приходящееся на единицу объема,  различно для разных проводников. По мере повышения температуры  проводника концентрация электронов возрастает и они диффундируют из мест повышенной концентрации в места меньшей концентрации, т. е. от горячего конца проводника к холодному. Следовательно, при  электронной проводимости холодный конец проводника заряжается  отрицательно, а нагретый — положительно (явление Томсона). При этом значение термо-ЭДС, развивающейся на концах однородного  проводника, будет зависеть от его природы. Если однородный проводник  составляет замкнутую цепь с температурами td и tz в крайних точках, то термо-ЭДС Томсона равна нулю при любом распределении  температуры вдоль проводника. Если же два однородных, но различных по природе проводника, имеющих одинаковую температуру, привести в соприкосновение, то в месте контакта возникнет термо-ЭДС (явление Зеебека) вследствие разности концентраций свободных электронов в каждом из проводников и контактной разницы потенциалов, появляющейся при их соприкосновении.

2. УДЛИНИТЬЛЬНЫЕ ПРОВОДА И КАБЕЛИ

В цепь термопары термоэлектродные провода и кабели включаются с соблюдением знака полярности по схеме, приведенной на рис. 5. Как видно из схемы, холодные спаи термопары отодвинуты от  измеряемого объекта на длину термоэлектродных проводов.

В пирометрии нашли применение два типа удлинительных проводов и кабелей: суммарной и поэлектродной компенсации термо-ЭДС  термопар. Удлинительные провода и кабели суммарной компенсации должны развивать термо-ЭДС, равную термо-ЭДС термопары, для  которой они предназначены (например, медь — константан для хромель- алюминиевой термопары, медь — ТП для платинородий-платиновой термопары и т. д.). Таким образом, для данного случая должно быть обеспечено равенство (рис. 5)

Совершенно очевидно, что это равенство должно сохраняться только в пределах возможных изменений температуры свободных концов. При этом паразитные термо-ЭДС, возникающие в холодных спаях термопары, взаимно  компенсируются .Однако, когда температура обоих  концов электродов термопары не только непостоянна, но и  неодинакова, применяется второй тип удлинительных проводов — с поэлектродной компенсацией.

В заданном интервале  температур электроды таких проводов развивают с третьим электродом,  например платиной, ту же термо-ЭДС, что и соответствующие электроды термопары. ,. Этот тип проводов изготовляется в случае недефицитности  материалов с теми же термоэлектродами, что и подключаемая термопара (например, хромель-копелевыми для одноименной термопары), что равноценно удлинению самой термопары с целью вывода холодных спаев в удаленную от объекта зону с низкой температурой. Однако применение удлинительных проводов термоэлектродных материалов не всегда целесообразно, так как это может привести к перерасходу дорогостоящих дефицитных или благородных металлов, из которых изготовлена термопара. Замена другими материалами может быть также вызвана необходимостью иметь минимальное  сопротивление цепи термопары. В этом случае для изготовления  удлинительных проводов с поэлектродной компенсацией используются  специальные сплавы (например, КП и КПР для платинородий-платиновой  термопары. Сведения о применяемых в отечественной промышленности  термоэлектронных удлинительных проводах к различным термопарам  представлены в табл. 1.

3. НЕКОТОРЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПОГРЕШНОСТЬ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПОМОЩИ ТЕРМОПАР С УДЛИНИТЕЛЬНЫМИ ПРОВОДАМИ

Причины появления ошибок при измерении температуры  термопарой с удлинительными проводами довольно широко изучены. При этом в основном рассматриваются два вида ошибок, из которых одна  определяется погрешностью собственно термопары, а другая возникает из-за удлинительных проводов. Учитывая, что в данной книге рассматриваются как термопарные, так и удлинительные провода и кабели,  рассмотрим оба вида ошибок.

Погрешности, вносимые термопарами Погрешность при измерении температуры, возникающая при  применении термоэлектродных проводов и кабелей в качестве термопар, определяется рядом факторов. Размер этой погрешности зависит от конструкции термопарных проводов и кабелей, типа и свойств  материалов, использованных в их составе, условий эксплуатации термопар.

Рассмотрим подробнее некоторые причины появления погрешности при измерении температуры.

1. Термоэлектрическая неоднородность термоэлектродных  материалов. Погрешность при измерении температур, обусловленная  термоэлектродными материалами, возникает в основном из-за  термоэлектрической неоднородности проволоки по длине. Неоднородность  термоэлектродного материала, как правило, появляется в процессе  производства термоэлектродной проволоки и вызывается следующими факторами:

а) химической и физической неоднородностью;

б) посторонними включениями;

в) местным наклепом из-за неравномерной деформации  термоэлектродного материала;

г) остаточными внутренними напряжениями;

д) местными дефектами (расслоениями, пленками, трещинами и т. д.).

Термоэлектродные материалы могут претерпевать деформации в процессе изготовления термоэлектродных проводов при перемотке проволоки, наложении изоляционных материалов на токопроводящую жилу, при скрутке на крутильных машинах и других процессах  кабельного производства. Это также может привести к появлению  погрешности при измерении температуры. Как показали исследования, проведенные в институте Гипроцветметобработка, термо-ЭДС термоэлектродной проволоки в процессе пластической деформации изменяется, причем весьма заметно.  Наиболее чувствительным к деформациям оказался хромель. Даже  небольшая (около 10%) деформация хромеля может быть причиной  погрешности в несколько градусов при измерении температуры выше 400°С. Изменение термо-ЭДС алюмеля при деформации значительно меньше и колеблется от —40 до +100 мкВ. При малой деформации абсолютное значение отрицательной термо-ЭДС алюмеля становится больше, с  увеличением степени деформации (свыше 40%) оно уменьшается. Термо-ЭДС копеля также существенно меняется под влиянием деформации, причем отклонения достигают максимума при  деформации, равной 40%. При дальнейшем увеличении степени деформации термо-ЭДС становится меньше.

Для устранения ошибок в процессе измерения термоэлектродную проволоку подвергают стабилизирующему температурному отжигу и проверяют ее однородность (на предприятиях-изготовителях).  Термоэлектродные материалы термопарных кабелей в стальной оболочке марки КТМС подвергают высокотемпературному отжигу в процессе изготовления кабеля. Высокотемпературный отжиг заметно  выравнивает структуру материала (улучшается распределение составляющих и уменьшается разнозернистость), освобождает проволоку от  внутренних напряжений и местного наклепа. Дефекты проволоки в виде  трещин, плен, расслоений и другие устраняют путем ее отбраковки. При работе с термопарными проводами и кабелями (особенно в условиях длительного воздействия больших градиентов температуры)  необходимо избегать значительных их деформаций (сильных изгибов и пр.).При производстве проволоки необходимо достигать как можно более равномерного отжига ее по длине, так как изменение режимов отжига (температуры или времени пребывания проволоки при температуре отжига) приводит к изменению градуировочных характеристик.

2. Термоэлектрическая стабильность. Как показали исследования, в процессе длительной эксплуатации (длительного воздействия высоких температур) термо-ЭДС термопарных кабелей заметно изменяется, вызывая погрешность измерения температуры. Эта погрешность  зависит от глубины теплового воздействия (времени воздействия и  температуры окружающей среды). Так, в процессе нагрева термопарных кабелей марки КТМС-ХА при температурах 300—450°С термо-ЭДС хромель-алюмелевых кабелей почти не изменяется [21] . Отклонения показаний после 1000 ч нагрева от первоначальных не превышают, как правило, ошибки измерений, которая при 300—400 °С равна ±16 мкВ. Изменения термо-ЭДС хромель-алюмелевых кабелей при 500°С также невелики. Выборочное среднее отклонение за 1000 ч колеблется в интервале — 11-.— 2 мкВ, что составляет —0,7г—0,05°С. После нагрева при 600—800°С термо-ЭДС кабелей заметно растет. Значение выборочных средних отклонений термо-ЭДС кабелей за 1000 ч нагрева при 700°С не превышает 40 мкВ A°С), за 10 000 ч - 199 мкВ.

3. Влияние изоляционных материалов и защитных покровов.  Термопары, изготовленные из термопарных кабелей и проводов, рассчитаны на эксплуатацию в условиях воздействия различных сред  (окислительной, восстановительной, нейтральной или в вакууме) при разных  температурах. Поэтому защитные и изоляционные покровы термопарных кабелей должны длительно сохранять (кроме термопар разового  действия) свои изолирующие и защитные свойства. При выходе из строя (повреждении) защитных оболочек или  изоляции термопары появляется систематическая погрешность, возрастающая с течением времени. Это явление может быть результатом  прямого воздействия внешней среды на термоэлектроды. Так, в  окислительной среде термо-ЭДС хромель-алюмелевых термопар при температуре 1000°С относительно быстро увеличивается по сравнению с  первоначальной (до 80-120 мкВ). При выходе из строя изоляции при высокой температуре возможно значительное снижение ее сопротивления, что приводит к резкому увеличению токов утечки между термоэлектродными проводниками.

Возможно также прямое замыкание термоэлектродов в точке,  удаленной от места горячего спая термопары. Как в первом, так и во втором случае показания термопар будут занижены. Поэтому при выборе термопарного провода или кабеля для изготовления термопары  необходимо учитывать условия его эксплуатации.

Для повышения надежности термопар и уменьшения погрешности при измерении температуры в качестве защитных покровов  используются материалы, устойчивые к различным химически агрессивным средам и высоким температурам. Так, в термопарных кабелях марки КТМС в качестве защитной оболочки применяется нержавеющая сталь марки 12Х18Н9Т, а в термопарных проводах — стекловолокно  (кремнеземное, кварцевое или алюмоборосиликатное) и экраны из жаростойкой стальной проволоки.

4. Влияние внешнего электромагнитного поля на точность измерения температуры. В практике промышленных измерений температур  нередко приходится применять термопары в пространстве с мощным переменным электрическим полем (при измерении температуры в электродуговых печах) . Наиболее существенные помехи в этих  условиях возникают при использовании в качестве измерительного прибора электронного потенциометра. Наличие переменного тока в цепи  термопары и удлинительных проводов вызывает снижение чувствительности усилителя, а это в свою очередь приводит к сильному уменьшению чувствительности электронного потенциометра. Прибор перестает реагировать на изменение температуры, и его показания не  соответствуют температуре рабочего конца термопары.

Наиболее эффективной защитой от воздействия внешнего  переменного электрического поля при измерениях температур является  экранирование как самого измерительного прибора, так и удлинительных проводов, термопары и ее рабочего спая. Для этой цели кабельной промышленностью выпускаются термопарные и удлинительные  термоэлектродные провода с экранами, выполненными в виде сплошной металлической оболочки или оплетки из стальных либо медных  проволок.

5. Действие радиационного облучения. Развитие атомной энергетики поставило задачу создания надежных средств измерения температур в атомных реакторах. Трудность решения проблемы заключается в  сочетании следующих факторов:

а) высокие значения измеряемых температур, что обусловливает повышенные требования к теплостойкости применяемых материалов и уровню диэлектрических свойств изоляции;

б) необратимость изменений физических свойств материалов,  происходящих под действием мощных потоков нейтронов в атомных реакторах, что необходимо учитывать при выборе термоэлектродных проводов для термопар.

В связи с тем, что удлинительные провода, как правило, находятся вне зоны высоких температур и воздействия потоков нейтронов, для измерения температур в атомных реакторах необходимо в основном решать вопрос о выборе типов термопар, а соответственно и  термоэлектродных проводов. Прежде всего, материалы, используемые в этих условиях в качестве термоэлектродов, под действием потоков  нейтронов должны содержать стабильные изотопы. Наиболее стойким  материалом в условиях воздействия потока нейтронов является хромель. Это объясняется значительным содержанием в, нем никеля — элемента большим количеством стабильных изотопов. Так, за 20 лет состав этого сплава изменяется менее чем на 1%. Стоек в нейтронном потоке также алюмель. Содержание марганца и кобальта в нем за 20 лет  несколько уменьшается, а железа увеличивается с 0,02 до 2%. Константан менее устойчив в нейтронном потоке. В нем за 20 лет пребываний в потоке нейтронов содержание никеля возрастает на 5%. Неустойчива в нейтронном потоке и медь. За 20 лет около 20% меди превращается в никель и цинк.

Вследствие ядерных превращений элементов изменения термо-ЭДС медленно накапливаются со временем и носят необратимый характер. Поэтому при достаточно длительном облучении изменение градуировки термопар может происходить даже в полях сравнительно малой  интенсивности радиации [22].

Изменение термо-ЭДС термопары может быть результатом радиационного повреждения термоэлектронных материалов: появления в облученных термопарах дефектов — вакансий и промежуточных  атомов. Увеличение концентрации вакансий и промежуточных атомов приводит к изменению явлений переноса зарядов и, таким образом, к изменению термо-ЭДС. Изменение термо-ЭДС, вызванное накоплением дефектов, зависит от плотности потока нейтронов. Изменения термо-ЭДС возникают сразу же при воздействии радиационного поля.

Этот процесс обратим, т. е. после прекращения действия радиационного поля это явление исчезает. Высокая термо- и химическая стойкость различных окислов  предопределяет возможность их применения в качестве диэлектриков термоэлектродных проводов при воздействии интенсивных потоков ядерных излучений. В связи с этим необходимо учитывать некоторые ядерные характеристики таких материалов, так как энерговыделение в них будет зависеть от поглощенной дозы излучения того или иного вида; кроме того, введение материала, сильно поглощающего  нейтроны, в активную зону реактора может существенно изменить его  радиоактивность и в значительной степени повлиять на режим его работы. С этой точки* зрения наиболее пригодны для работы в активной зоне атомного реактора окиси бериллия и магния, так как они слабо  поглощают нейтроны и незначительно влияют на режим работы реактора.