Меню

Измерение температуры внутри печи



Измерение высоких температур в печах. Мелочей быть не может

Высокие температуры (от 400–500 °С) в промышленности чаще всего измеряют термоэлектрическими преобразователями – термопарами. Но случается, что при установке и эксплуатации таких датчиков не соблюдаются рекомендации производителей. Термопары быстро выходят из строя, перестают соответствовать заявленным метрологическим характеристикам. В данной статье приведены результаты моделирования и эксперимента, проведенных на термопреобразователях, выпускаемых компанией ОВЕН. Сравнивались различные варианты установки датчика на печь при нескольких значениях измеряемых температур, в результате чего выработаны рекомендации для долгой бесперебойной эксплуатации термопар.


Общая информация о термопарах

Термопара – один из наиболее распространенных датчиков температуры, применяемых в промышленности. В общем случае датчик представляет собой две проволоки из разнородных металлов, спаянных с обоих концов. Один спай – «горячий» – погружается в среду с измеряемой температурой, другой – «холодный» – находится при постоянной температуре (обычно 0 ˚С). В этом замкнутом контуре возникнет термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), и она будет зависеть только от разницы температур спаев. Встроив в этот контур милливольтметр, можно измерять термоЭДС, которая в данном случае будет зависеть только от изменения температуры «горячего» спая, так как «холодный» спай находится в изотермических условиях. Сразу оговоримся, что приведенная выше схема – это общее определение термопары, и так трудоемко измеряли ее ТЭДС только исследователи. Сейчас все гораздо проще: «холодный» спай нет необходимости поддерживать при постоянной температуре, поправку делает вторичный прибор – измеритель или контроллер, который также выполняет роль милливольтметра.

Термопара, помещенная внутрь защитной арматуры, снабженная головкой для подключения удлинительного кабеля или кабельным выводом, имеет право называться термоэлектрическим преобразователем (рис. 1), но в обиходе для краткости такие датчики все равно называют термопарами.


Рис. 1. Термоэлектрический преобразователь

Современные производители предлагают широчайший ассортимент термоэлектрических преобразователей практически под любую задачу. Различные материалы чехлов – стали, сплавы, керамика, полимеры – защищают термоэлектроды от агрессивных и высокотемпературных сред. Различные выходные сигналы – нативный (мВ), аналоговые (0(4)…20 мА, 0. 10 В), цифровые (HART, RS‑485, Foundation Fieldbus и др.) – позволяют встраивать эти датчики в любые системы автоматизации.

Огромный выбор модификаций датчиков температуры зачастую вынуждает обращаться за дополнительными консультациями к техническим специалистам компании-производителя: нужно учесть все «подводные камни» применения датчика, специфику его монтажа, подобрать дополнительное оборудование и т. п. Ошибка в подборе первичных преобразователей может дорого обойтись. Бывают случаи, когда из-за неверного подбора датчика идет в брак вся термообрабатываемая продукция. Например, долго не прослужат термопары типа ХА (хромель-алюмель) при установке на печь, в атмосфере которой содержится 2–3 % кислорода: селективное окисление хрома в хромеле приведет к уменьшению его ТЭДС и коррозии термоэлектрода («зеленая гниль»). При использовании термопар ХА, ХК (хромель-копель), НН (нихросил-нисил) в восстановительной атмосфере (где присутствуют, в частности, монооксид углерода СО или водород Н2) необходимо надежно защитить термоэлектроды от негативного воздействия среды. Например, можно выбрать термопреобразователи на основе КТМС (кабель термопарный с минеральной изоляцией в стальной оболочке).

Датчики с кабельным выводом на основе КТМС – одни из самых простых по конструкции. Но в подборе и эксплуатации таких датчиков также имеются тонкости, которые необходимо учитывать. Об этом – в сегодняшней статье.

В качестве примера рассмотрим термопару на основе КТМС с кабельным выводом ОВЕН ДТПХхх4. Чаще всего такие модели термопреобразователей (рис. 2, 3) устанавливаются на печи различных производств – от обжига кирпича до металлургии. С их помощью измеряют температуры садки, атмосферы печи, уходящих газов в дымовом тракте.


Рис. 2. Общий вид датчика температуры с кабельным выводом на основе КТМС ОВЕН ДТПХхх4


Рис. 3. Конструктивное исполнение ОВЕН ДТПХхх4

Монтажная (погружная) часть L представляет собой гибкий КТМС, внутри которого в заглушенном конце расположен «горячий» спай. КТМС может быть различного диаметра D: от 1,5 до 4,5 мм. Выбор диаметра зависит от размера монтажного отверстия, необходимости изгиба, уровня измеряемых температур. Кабельный вывод l такого датчика обычно изготавливается из термопарного кабеля в силиконовой оболочке, который служит для подключения термопары ко вторичному прибору и обычно находится снаружи объекта измерения при относительно невысокой температуре (до 200 °C).

Номинально-статические характеристики (НСХ) таких датчиков по ГОСТ 8.585 – ТХА (К), ТХК (L), ТЖК (J), ТНН (N). Наиболее высокую температуру можно измерять термопарами с НСХ типов К и N – 900…1250 °C. Последняя температура измерения справедлива только для типа N. Также в конструктиве такого датчика присутствует тонкостенная металлическая трубка диаметром 6 мм и длиной 50 мм – так называемая переходная втулка (рис. 3). Внутри нее находится соединение выводов термоэлектродов КТМС с термоэлектродами термопарного силиконового кабеля.

При монтаже на объект измерения (например, печь) допускается погружать термопару на всю длину монтажной части L, но при условии, что при эксплуатации датчика температура на переходной втулке не должна превышать 200 °C. Если это условие будет нарушено, то силиконовая изоляция начнет деформироваться и оплавляться, оголяя термоэлектроды и разрушая соединение «КТМС – кабельный вывод». При подборе и монтаже датчика обязательно нужно учитывать это условие. Иногда просчет в определении температуры на переходной втулке влечет за собой выход из строя десятков дорогостоящих датчиков, остановы печей и миллионные убытки. Трудность в том, что на температуру переходной втулки влияет несколько условий: максимальная температура в печи, толщина стенки печи, материал футеровки печи, температура окружающего печь воздуха, тип монтажа датчика (горизонтальный или вертикальный) и самое важное – расстояние от внешней поверхности печи до переходной втулки.

Инженерами компании ОВЕН были смоделированы максимально жесткие условия по температуре эксплуатации такой модели датчика: температура в рабочем пространстве печи 1250 °C, в печь погружена термопара типа N с диаметром монтажной части 3 мм, материал оболочки КТМС – Nicrobell. Монтаж вертикальный, в отверстие в своде печи.

Читайте также:  Протоколы измерения переходного сопротивления

Материал свода печи – шамотно-волокнистые плиты ШВП‑350. Снаружи они покрыты металлическим тонкостенным кожухом. Температура окружающей среды 60 °C. Симуляция проводилась в программно-техническом комплексе Solid Works, который позволяет проводить тепловые расчеты и строить модели нагрева твердых тел.

В табл. 1 представлены два варианта моделирования условий эксплуатации датчика:
— модель № 1 – переходная втулка расположена вплотную к внешней поверхности печи (кожуху);
— модель № 2 – переходная втулка расположена на расстоянии S = 30 мм от внешней поверхности печи (кожуха).

Таблица 1. Два варианта моделирования условий эксплуатации датчика

На рис. 4а представлен температурный градиент по длине датчика при полном погружении в печь. Таким образом, при данных условиях эксплуатации втулка нагреется практически до 300 °C, что недопустимо.

На рис. 4б видно, как меняется температура монтажной части датчика по мере удаления от раскаленного рабочего пространства печи в случае большей толщины футеровки и удаления втулки всего лишь на 30 мм от стенки; на самой втулке температура практически 100 °C, что вполне допустимо. При таких условиях эксплуатации термопреобразователь прослужит годы.


Рис. 4. Варианты моделирования условий эксплуатации датчика: а – модель № 1. Распределение температур по длине датчика, датчик полностью погружен в печь; б – модель № 2. Распределение температур по длине датчика, втулка отодвинута от стенки печи на расстояние S отступа = 30 мм (увеличить изображение)

Эксперимент на реальной печи

Затем инженеры ОВЕН провели эксперимент на реальной печи при наиболее распространенных температурах термообработки: 700, 900 и 1000 °C. Объект измерения – трубчатая печь МТП‑2 М‑50-500. Маркировка испытываемой термопары – ДТПК444-09.200/3,0С.1, диаметр монтажной части 4,5 мм, длина L – 200 мм. Общий вид стенда для проведения эксперимента приведен на рис. 5.


Рис. 5. Стенд для эксперимента: общий вид

Условия эксперимента: изначально термопара ДТПК444 полностью до переходной втулки была погружена в предварительно разогретую печь, монтаж – горизонтальный. Температура переходной втулки измерялась с помощью малогабаритной термопары ДТПL011, спай которой был прижат к втулке и закреплен кремнеземной нитью (рис. 6а). Оба датчика были подключены к двухканальному измерителю ОВЕН ТРМ202.


Рис. 6. Этапы эксперимента: а – термопара ДТПК444 полностью («до упора») погружена в печь; б – втулка термопары ДТПК444 отодвинута от стенки печи на 10 мм

Затем в ходе эксперимента глубина погружения в печь данного датчика была уменьшена на 10 мм, то есть переходная втулка была отодвинута от стенки печи на это расстояние (рис. 6б). Каждые 10 минут температура в печи и температура втулки фиксировались. Результаты эксперимента приведены на графике (рис. 7).


Рис. 7. График изменения температур в печи и на переходной втулке

Всего было произведено 18 измерений: первые 8 – при температуре в печи 700 ± 10 °C, втулка придвинута вплотную к стенке печи. Температура втулки практически стабилизировалась на уровне 120 °C.

Следующие три измерения (№№ 9, 10 и 11) температура в печи составляла 900 °C, температура втулки при этом повысилась до 180 °C.

Затем, с измерения № 12 по № 18, печь была разогрета до 1000 °C, но до измерения № 15 втулка была также придвинута вплотную. На графике ясно видно, что температура переходной втулки при таких температурах и монтаже достигла 195 °C, практически критической температуры, выше которой наступит разрушение силиконовой изоляции.

Но если немного уменьшить глубину погружения датчика, отодвинув переходную втулку всего лишь на 10 мм от стенки, при той же температуре рабочего пространства печи в 1000 °C температура на втулке опустится до приемлемых 150 °C. Это можно заметить на графике (измерения №№ 16, 17 и 18).

Выводы и рекомендации

Моделирование и эксперимент, показывающие характер нагрева термоэлектрических преобразователей ДТПХхх4 на основе КТМС, проводились с целью установить зависимость температуры конструктивного элемента, переходной втулки, температура которой при эксплуатации датчика не должна превышать 200 °C, от температуры в печи и расстояния между втулкой и наружной поверхностью печи. Нагрев втулки выше 200 °C недопустим по причине разрушения изоляции (чаще всего силиконовой) термопарного провода, обжатого внутри втулки и служащего для подключения термопар данной конструкции ко вторичным приборам.

По результатам и моделирования, и эксперимента можно сделать несколько важных выводов для практической термометрии:
— при измерении температуры более 1000 °C стационарно установленными на объекте датчиками не рекомендуется придвигать вплотную к стенкам агрегата их коммутационные элементы (переходные втулки, коммутационные головки) во избежание перегрева и выхода их из строя;
— при выборе термопреобразователя необходимо предусматривать «запас» по длине монтажной части датчика;
«запас» длины монтажной части может быть совсем небольшим, в общем случае – 10…20 мм. Этого расстояния S отступа будет достаточно, чтобы избежать перегрева коммутационного элемента.

Опубликовано в журнале ИСУП № 3(81)_2019

Источник

Уроки гончарного дела

Добро пожаловать в мир керамики!

Как измерить температуру в муфельной печи

Очень часто керамисты, у которых есть самодельная муфельная печь задаются вопросом, как измерить температуру в этой самой печи. Для этого есть несколько проверенных способов.

1. Определение температуры по цвету черепка

Это самый малозатратный способ. Но вместе с тем и довольно сложный, т.к. температуру нужно определять по цвету раскаленной керамики в печи. При определенной сноровке это можно делать довольно точно. Примерное соответствие цвета и температуры в печи показано на рисунке ниже.

2. Пирометрические конусы (пироскопы)

Пирометрический конус — это керамическая пирамидка, которая под воздействием определенной температуры начинает размягчаться и падать. Каждый конус имеет свой номер, и рассчитан на свой температурный диапазон (см. картинку выше).

Пирамидки устанавливаются на подставки из материала более тугоплавкого, чем сами пирометры, например из шамота, на глубину 3-4 мм.

Обычно ставят несколько конусов разных номеров — один посередине на рабочую температуру, другие на более низкую и более высокую. Рабочий пироскоп должен при обжиге наклониться и достать основания. При этом конус номером ниже ложится практически полностью, а номером выше слегка наклоняется. За состоянием конусов обычно наблюдают во время обжига через смотровое окошко и, как только рабочий конус коснулся поверхности, печь выключают.

Читайте также:  Почему аппарат для измерения давления показывает err cuf

Это традиционный способ измерения температуры в печи. Правда, с его помощью измеряется не только и не столько температура в конкретной точке печи, а колличество тепла, которое пироскоп смог принять. Например, можно быстро нагреть печь до 1050°С, при этом конус №105 может не упасть, если же довести температуру до 1030°С и сделать длительную выдержку, то конус начнет плавиться и падать. Это свойство пирометрических конусов очень близко к свойствам обжигаемой керамики, поэтому «обжиг на конус» очень распространен в наше время, т.к. он позволяет добиваться схожих результатах в печах с разными характеристиками и разными программами для обжига.

3. Температурные кольца

Температурные кольца — это новое поколение пироскопов. Также, как и конусы кольца позволяют узнать количество поглощенного тепла, при этом полученные показатели будут более точными. При нагреве температурные кольца сокращаются в размере, и измерив их диаметр после обжига с помощью микрометра, получим определенную величину, которую можно затем перевести в температуру.

Правда, этот способ не подходит, если мы хотим наблюдать за температурой в печи непосредственно во время обжига, т.к. кольца сокращаются на очень малую величину, которую невозможно заметить невооруженным взглядом.

4. Пирометр

Пирометр — это прибор, который измеряет температуру в печи дистанционно. При направлении пирометра на объект на экране высвечивается его температура.

Высокотемпературный пирометр — вещь довольно дорогостоящая, поэтому используют его, как правило, на крупных производствах.

5. Термопара

Пожалуй, самый распространенный способ измерения температуры в муфельной печи — с помощью термопары. Термопара в основе своей — это два куска проволоки из специальных сплавов, сваренных между собой.

Каким-то непостижимым образом на кончике термопары вырабатывается электричество, причем, чем температура выше, тем больше милливольт мы получим на выходе. Эти милливольты можно замерить соответствующим прибором и перевести их в температуру.

Наибольшее распространение получила термопара ТХА — хромель-алюмель, или К-типа по международной классификации. Эта термопара позволяет измерять температуру вплоть до 1300°С. Причем, чем проволока толще, тем дольше будет служить термопара на высоких температурах.В настоящее время существуют различные приборы, которые могут измерять температуру с помощью термопары ТХА. Вот, один из самых простых.


Еще один доступный вариант — Мультиметр М838 (DT-838) — в него заложена функция измерения температуры с помощью ТХА, и часто термопара идет в комплекте. Правда, она очень тонкая и на высоких температурах прослужит недолго.

Второй распространенный тип термопар, который устанавливается в современных муфельных печах, — это термопара ТПП — платинародий-платина или S-типа. Эта термопара намного дороже хромель-алюмели, но зато она может долго служить на высоких температурах вплоть до 1600°С. Как правило она идет в защищенном кожухе.

Термопару ТПП, также как и ТХА, можно подключить к электронному измерителю-регулятору температуры, например, к терморегулятору Байт ТРП-09 ТП.

Этот прибор позволяет измерять текущую температуру, а также может управлять печью по программе, заданной пользователем.

Термопару ТХА можно подключать непосредственно к контроллеру, если хватает длины проводов. Если же нет, то необходимо использовать термокомпенсационный провод. Как правило, этот провод состоит из той же пары металлов — хромель-алюмели, только меньшего диаметра. Для подключения платиновой термопары используется свой компенсационный провод, но можно взять и простой медный.

Если просто подключить термопару к контроллеру и подать на него питание, то он будет показывать текущую температуру в печи. Если же добавить к этой системе какой-нибудь управляющий элемент — симистор или твердотельное реле, то мы сможем проводить обжиг по программе и высвободить немного времени для более творческих задач. О том, как это все подключить и получить при этом блок управления муфельной печью, мы поговорим как-нибудь в следующий раз.

А пока я прощаюсь с вами. До новых встреч и успехов вам в гончарном деле!

Источник

Температура в муфельной печи: способы измерения

Муфельные печи — нагревательное оборудование, с помощью которого можно плавить металлы, обжигать керамику, проводить лабораторные исследования и мн. др. Муфельные установки считаются одними из самых надежных и доступных печей. Применяют их не только в большой промышленности, но и на небольших частных предприятиях. Сегодня муфельные печи пользуются высоким спросом и у людей, которые занимаются обработкой керамики в качестве хобби.

Рано или поздно перед керамистом, будь он с большим стажем или новичок, стает вопрос об измерении температуры внутри муфельной печи. Задача непростая ведь, несмотря на большое количество существующих вариантов применяемых множество лет выявленные показатели зачастую говорят не о температуре в самой установке, а о том какую термическую нагрузку может принять на себя тот или иной материал. Подробнее о методиках вычисления температурных значений внутри муфельной установки расскажем далее.

1. Определение температурного накала по цвету черепка

Хоть способ и является самым малозатратным, но это не говорит о его простоте. Температура в данном случае определяется по цвету раскаленной керамики находящейся в печной установке. Имея за плечами большой опыт, сделать это не так и сложно, но новичкам придется проявить большую внимательность. Примеры соответствия цвета керамики определенной температуре в печи представлены ниже.

2. Измерение за счет пирометрических конусов (пироскопов)

Под понятием пирометрический конус имеется в виду пирамидка из керамического сырья, которая при определенном температурном воздействии становится мягкой и утрачивает свою форму. Каждому конусу присвоен свой номер и каждый из них рассчитан на определенные значения температуры, после которых наступает процесс разрушения.

Читайте также:  Оформление результатов измерения сопротивления изоляции

Пирамидки следует выложить на специальные подложки, материал которых более тугоплавкий, чем керамика. Обычно в качестве подложек используют шамот. Установка пирамид производится на глубину около 3-4 миллиметров.

Для точности данных в печь помещают три вида пирамидок — посредине ставят ту, температура в печи для которой является рабочей, с одной стороны размещают конус, рассчитанный на более низкие термические значения, а с другой на более высокие. Пироскоп, для которого подобранная температура считается рабочей, должен наклониться через некоторое время и достать основания. Пирамидка с характерными более низкими цифрами температурной обработки должна «лечь» на подложку полностью, а та, которая рассчитана на более высокие показатели — незначительно наклониться. Наблюдение за состоянием пирамидок проводят через смотровое окно, после того как рабочий конус коснулся поверхности подложки, процесс нагрева останавливают.

Измерение температуры внутри муфельной печи за счет пирометрических конусов самый распространенный метод. Но, по сути, таким образом измерить точные значения накала печи невозможно. Этот метод больше рассчитан на то, сколько тепла способен принять конкретный пироскоп.

В качестве примера приведем ситуацию, когда в печи разогретой до 1050 °С конус №105 не падает, а если повысить температуру до 1030 °С и выдержать определенный отрезок времени конус начнет плавится и естественно «ложиться» на подложку. Термические свойства пироскопов близки к температурным характеристикам керамики. Именно поэтому указанный метод имеет большое распространение среди керамистов.

3. Температурные кольца

Применение температурных колец PTCR относится к усовершенствованной методике использования пироскопов. Как и в ситуации с конусами температурные кольца позволяют определить количество тепла, которое способно поглотиться, но показатели в данном случае характеризуются боле высокой точностью. В процессе нагрева кольца уменьшают свой размер, и измерение их диаметра микрометром после проведенного обжига дает возможность полученные величины перевести в температуру. В зависимости от диапазона температур используют температурные кольца с маркировкой:

  • PTCR HTH/HTL: 1,450-1,750 °C
  • PTCR MTH/MTL: 1,340-1,520 °C
  • PTCR STH/STL: 1,130-1,450 °C
  • PTCR LTH/LTL: 970-1,250 °C
  • PTCR ETH/ETL: 850-1,100 °C
  • PTCR UTH: 660-900 °C
  • PTCR ZTH: 560-600 °C

Точные значения соответствия диаметра колец и температуры для колец PTCR STH и LTH можно просмотреть в таблице ниже.

Но, стоит учесть, что такой способ не целесообразен в случае, когда необходимо получить значения температуры непосредственно в процессе работы печи. Сокращение колец происходит медленно, и определить невооруженным взглядом их практически невозможно.

4. Пирометр

С помощью пирометра температуру в печи можно измерять дистанционно. Если направить пирометр на объект измерения за несколько секунд на его циферблате высветится необходимая информация.

Пирометры, разработанные для определения сверхвысоких температур удовольствие недешёвое, поэтому зачастую их можно встретить только на крупных предприятиях занимающихся обжигом.

5. Термопара

Применение термопары для определения температур в муфельных печах достаточно старый и надежный метод. По сути, термопара представляет собой два провода состоящих из специальных сплавов, которые между собой сварены.

В процессе непосредственной эксплуатации при температурных замерах на конце термопары вырабатывается электрический ток, и чем выше термическая составляющая в печи, тем больше милливольт на выходе. С помощью специального устройства милливольты можно измерить и перевести их в температурный эквивалент.

Термопар существует немалое количество, и разделяют их по содержащимся сплавам. Для использования конкретно в муфельных печах зачастую используют термопару типа К в составе которой находятся сплав хромель-алюмель. С помощью такого приспособления можно проводить замер температур вплоть до значений в 1300 °С. Интересно, что чем толще проволока, тем дольше прослужит термопара в условиях высокотемпературной работы.

Для измерения термических значений внутри муфельной печи за счет термопары можно использовать массу специально разработанных приспособлений.

Мультиметры, например, являются еще одним доступным вариантом — в них сразу заложена функция определения температуры с помощью термопары типа К, и зачастую преобразователь идет в комплекте с мультиметром. Правда ТХА предлагаемая вместе с мультиметром очень тонкая и при высокотемпературной нагрузке быстрой выходит из строя.

Ко второму одному из самых распространенных типу термопар относят устройства S-типа состоящие из платинородия-платины. Этот тип преобразователя значительно дороже сплава с хромель-алюмели, но зато значительно дольше прослужит при высокотемпературной нагрузке вплоть до 1600 °С. Обычно такую термопару выпускают в защитном кожухе.

Термический преобразователь ТПП также как и термопару из сплавов хромель-алюмель можно подсоединять к электронному измерительному регулятору температуры. С помощью такого устройства можно определять текущие значения температуры и управлять муфельной печью с помощью программы, которую задал пользователь.

Преобразователь ТХА также можно подсоединить к контроллеру, но при условии достаточной длины проводков. Если проводки коротковаты, то можно прибегнуть к использованию термокомпенсационных проводов. По правилам удлиняющие провода должны состоять из того же материала, что и термопара, но меньшего диаметра. Чтобы подключить платиновую термопару можно взять обычный медный провод.

При подключении термопары к контроллеру и последующей подаче питания на него можно определять текущие значения температуры в муфельной печи. А если одновременно с этой системой использовать какой-либо элемент управления, то вполне возможно управлять обжигом с помощью автоматической программы и выделить дополнительное время для творческих работ.

Компания «ТЭН24» предлагает изготовление муфельных печей по индивидуальному чертежу. Ваша печь, заказанная у нас, будет обладать всеми параметрами, о которых вы и не могли мечтать при просмотре стандартных печных установок. Мы проведем полный расчет всех критериев и быстро выполним заказ на высшем уровне. Продукция предоставляемая «ТЭН24» имеет гарантийные сроки эксплуатации. Все заявленные характеристики оборудования будут соответствовать действительным параметрам. У нас также можно заказывать термопары для определения температур внутри муфельных печей во время их работы. Доставка осуществляется по всей территории Украины. Закажите звонок и мы свяжемся с вами в ближайшее время.

Источник