Національний університет “Львівська політехніка”

ГУК Олександр Петрович

УДК 536.532

Кабельні ПЕРВИННІ термоЕЛЕКТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ з

покращеними метрологічнИми І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИМИ характеристиками

05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському “Науково-виробничому об’єднанні “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ

Науковий керівник - | Заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор,

Стадник Богдан Іванович,

Директор Інституту Комп’ютерних Технологій та Автоматики Національного університету "Львівська політехніка", м. Львів.

Офіційні опоненти - | Доктор технічних наук, професор,

Назаренко Леонід Андрійович,

Директор наукового центру “Термометрія і оптика фізичних вимірювань” Національного наукового центру “Інститут метрології”, м. Харків.

Доктор технічних наук,

Скоропад Пилип Ізидорович,

доцент кафедри “Інформаційно вимірювальні технології”, Національного університету

“Львівська політехніка”, м. Львів.

Провідна установа – | Державне підприємство “Науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем (ДНДІ "Система")”, м. Львів, науково-дослідний відділ розробки теоретичних та науково-методичних засад метрологічного забезпечення вимірювально-інформаційних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами.

Захист відбудеться "25" лютого 2005 р. о 1400 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті "Львівська політехніка" за адресою: 79013, Львів-13, вул. Ст. Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (м. Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий "20" січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., проф. Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Для вимірювання та контролю температури - од-но-го з найбільш важливих параметрів цілої низки об'єктів і тех-но-логічних процесів, а також при проведенні наукових досліджень, необхідні все більш точні та надійні термоперетворювачі. Однак, незважаючи на ве-лику номенклатуру засобів термометрії, як віт-чиз-няного, так і зарубіжного ви-роб-ниц-тва, забезпечити об’єкти нової техніки пре-цизійними, надійними, мало-інер-цій-ни-ми та малогабаритними термоперетворювачами, з можливістю їх трасування криволінійними ка-на-ла-ми, на сьо-годнішній день не вдається. Переважна більшість таких об’єктів ще й висувають специфічні вимоги до опе-рації проведення мо-ні-торингу їх тем-пе-ра-тур-но-го стану в умовах високих температур при по-єднанні впливу високого рів-ня силових і ві-бра-ційних навантажень, а також маг-нітних полів і радіаційного опро-мі-нен-ня. Сьогодні, як в Україні, так і за кор-доном, особливо у галузі ядер-ної енер-ге-ти-ки, серед засобів контактної тер-мо-метрії домінують тер-мо-елек-трич-ні пе-ретворювачі (ТП) з чутливими елементами (ЧЕ) кабельного ти-пу. Най-більш поширені кабельні ТП з номінальною статичною ха-рак-те-ри-с-ти-кою (НСХ) типу ХА(К) і ХК(L), основні метрологічні характеристики яких ре-гла-ментуються ДСТУ та ДСТУ 2857-94. Гранично допустимі значення по-хиб-ки ка-бельних ТП не перевищують ±1від значення вимірюваної тем-пе-ра-ту-ри, але для об’єктів сучасної техніки цього недостатньо. Тому створення вдо-ско-на-ле-них ТП з підвищеним рівнем метрологічної та механічної надійності є ак-ту-аль-ним на-уко-во-технічним завданням, яке вимагає про-ве-ден-ня наукових та кон-струк-тор-ських досліджень, скерованих на:

-

-

-

-

-

В дисертації подано основні наукові результати, які є підсумком ба-га-то-річ-ного до-свіду роботи автора в “Науково-виробничому об’єднанні “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ – про-від-ному віт-чизняному підприємстві у галузі термометрії, яке за-без-пе-чує про-ми-слові та на-укові об’єкти широкою номенклатурою тер-мо-пе-ре-тво-рювачів, зо-кре-ма кабельних, що й дозволило автору отримати та опрацювати знач-ний ма-сив екс-пе-ри-мен-тальних результатів щодо довготривалої екс-плу-ата-ції кабельних ТП на промислових об’єктах і зробити на-уко-во об-ґрун-то-вані висновки, щодо шля-хів та методів подальшого покращення їх основних характеристик.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота ви-ко-ну-ва-лась в рамках держбюджетної та госпдоговірної тематики згідно з пер-спек-тив-ною науково-технічною програмою розвитку “Науково-виробничого об’єднання “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ та дер-жав-ною науково-тех-ніч-ною про-гра-мою пріоритетного роз-витку науки і тех-ні-ки в Україні за такими ос-нов-ни-ми на-прямками: прилади комп-лексної ав-то-ма-ти-зації теплотехнічних сис-тем, охо-рона природного се-ре-до-ви-ща, а також в рам-ках постанови Кабінету Мі-ні-стрів України №1098 від 17 липня 2003 р.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є створення нових ти-пів кабельних ТП з покращеними метрологічною та механічною надійністю для три-ва-лої експлуатації в умовах енергонапружених об’єктів.

Відповідно до поставленої мети основними завданнями досліджень були:

-

-

-

-

-

Об’єкт наукових досліджень – ме-трологічні та екс-плу-а-та-ційні характеристики кабельних ТП у взаємозв’язку з те-пло-фі-зич-ними процесами, що від-бу-ва-ють-ся у матеріалах ЧЕ та еле-мен-тах їх кон-струк-ції під час виготовлення та екс-плу-атації.

Предмет досліджень – вплив електрофізичних, матеріалознавчих і тех-но-ло-гічних аспектів на характеристики кабельних ТП та створення ТП з по-кра-щеними ме-тро-ло-гіч-ними й експлуатаційними характеристиками.

Методи досліджень. Методологічну основу наукових досліджень складає ком-плексний підхід до аналізу стабільності метрологічних та екс-плу-ата-ційних характеристик кабельних ТП. Тео-ре-тич-ний аналіз ґрун-ту-ється на основних за-са-дах фізики твер-дого тіла, термодинаміки, ма-те-рі-алознавства, теорії пруж-нос-ті та плас-тич-но-сті матеріалів, методах під-ви-щен-ня точ-ності ви-мі-рю-валь-них за-собів, те-орії по-хибок та опрацювання ре-зу-льтатів вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в процесі ана-лі-зу те-пло-фізичних процесів, які відбуваються в матеріалах пер-винних кабельних ТП під час їх виготовлення і експлуатації:

1. Виявлено взаємозв’я-зок метрологічної та механічної компонент надійності ТП за результатами застосування ентропійно-енергетичної концепції впливу на них виробничо-технологічних та експлуатаційних фак-торів.

2. Встановлено основні за-ко-но-мірності змі-ни НСХ кабельних ТП у єдиному виробничо-технологічному і екс--плу-а-та-цій-ному циклі.

3. Розроблено методи підвищення метрологічної надійності кабельних ТП, що базуються на принципі дотримання незмінності термодинамічного стану їх тер-моелектродних та конструкційних матеріалів.

4. Сформульовано, обґрунтовано і розроблено концепцію покращення ме-тро-ло-гіч-них та механічних ха-рак-те-ристик кабельних ТП, яка базується на врахуванні, в про-цесі виготовлення, особливостей умов їх майбутньої екс-плу-атації.

5. Встановлено, що істотне значення для підвищення ресурсу ТП має поверхнева чистота матеріалів їх ЧЕ та елементів конструкції.

6. Розроблено та зведено в єдиний комплекс методологічні основи про-ек-ту-ван-ня і виготовлення, а також ви-мо-ги до особливостей виробничо-тех-но-ло-гічного і експлуатаційного характеру ка-бель-них ТП, що дозволило до-сяг-ну-ти покращення їх ме-тро-ло-гічних та експлуатаційних параметрів.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

1. На основі запропонованого термодинамічного підходу сформульовані за-сади створення кабельних ТП підвищеної точності та надійності.

2. За результатами досліджень створені базові кабельні ТП типу ТХА-2388М, параметри надійності яких підвищено до 0,9885 для ресурсу роботи 2000 год. та до 0,968 для ресурсу 8000 год.

3. Створено нову групу кабельних ТП високої технологічної куль-ту-ри ви-го-тов-лення, що базується на застосуванні розвинутих у роботі методів кон-тро-лю, діагностики, відбраковування, а також прогнозування і коригування па-ра-мет-рів їх надійності і стабільності НСХ, які мають технічний ресурс 25000 год.

4. Досліджено низку термометричних матеріалів для кабельних ТП, яка, завдяки відповідному зовнішньому покриттю, забезпечує під-ви-щення їх жаростійкості і стабільності структурно-механічних властивостей.

5. Запропоновано відповідні заходи для покращення основних характеристик ка-бель-них ТП за рахунок:

· моніторингу їх експлуатаційних та метрологічних параметрів в процесі ви-го-тов-лення й експлуатації;

· впровадження вакуумночистих етапів в технологічному процесі ви-го-тов-лен-ня;

· узгодження параметрів технологічних режимів термічної обробки в процесі їх ви-готовлення з гранично допустимими параметрами при їх експлуатації;

· впровадження і розвитку неруйнівних методів контролю їх характеристик.

6. Сформульовано рекомендації щодо подальшого розвитку ка-бель-них ТП, які забезпечують суттєве підвищення метрологічної надійності, ре-сур-су роботи та граничної температури їх тривалої експлуатації.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Отримані результати досліджень, спря-мо-ва-ні на підвищення стабільності метрологічних та екс-плу-атаційних характерис-тик кабельних ТП, ви-ко-рис-то-ву-ються у Львів-сько-му “Науково-виробничому об’єднанні “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ та Луць-кому об’єднанні “Електротермометрія” під час проведення на-уко-во-дос-лідних та дослідно-кон-струк-торських робіт по створенню нових первинних засобів електротермометрії, а також під час серійного випуску кабельних ТП.

Особистий внесок здобувача. Більшість теоретичних та екс-пе-ри-мен-таль-них досліджень виконана автором самостійно, а саме: проведено ана-лі-тич-ний огляд сучасного стану електротермометрії з використанням кабельних ТП для енергетично-напружених об’єктів; розроблено ентропійно-енергетичний під-хід стосовно особливостей виготовлення та експлуатації ТП для складних умов і три-валого їх застосування; розроблена модель ка-бель-них ТП у її енер-ге-тич-но-му вигляді; розроблені методики бездемонтажної ста-бі-лі-зації НСХ ТП; розроблені конструкції прецизійних кабельних ТП під-ви-щеної на-дійності. У ви-падках, де в процесі виконання науково-дослідних робіт були залучені спів-автори, частка участі здобувача відображена у звітах та визначена у від-по-від-них документах. В роботах у співавторстві здобувачеві належить участь у по-ста-новці завдань, теоретичних дослідженнях, розробленні способів та методів до-сліджень, моделюванні, а також в експериментальній перевірці та реалізації ре-зультатів досліджень. Внесок здобувача в цих роботах був визначальним.

Апробація результатів роботи. Викладені в дисертаційній роботі наукові по-ложення та наукові результати виголошувались на 11 науково-технічних кон-фе-ренціях, в тому числі на 2 міжнародних.

Публікації. За темою дисертації опубліковано більше 35 наукових робіт, в то-му чис-лі 1 монографія, 6 статей у фахових виданнях, з них 4 одноосібних.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чо-тирьох розділів, висновків, переліку цитованої літератури та 3 додатків, ви-кла-дена на 162 сторінках друкованого тексту і містить 26 рисунків та 28 таблиць з них 5 рисунків та 5 таблиць займають 8 окремих сторінок, перелік ци-то-ва-ної літератури з 90 найменувань - 10 стор., додатки – 20 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні зав-дання досліджень. Показано зв’язок роботи з науковими програмами та пла-нами. Сформульовано наукову новизну отриманих результатів та показано їх прак-тичну цінність, наведені дані про особистий внесок здобувача, апробацію ре-зультатів роботи та основні праці, опубліковані за темою дисертації.

У першому розділі проаналізовані основні характеристики ТП та по-ка-за-ні перспективи їх розвитку і вдосконалення у разі застосування кон-струк-цій на основі термопарного кабелю. Встановлено, що кабельні ТП ха-рак-те-ри-зу-ють-ся низ-кою переваг порівняно з ТП традиційного виконання. За-сто-су-ван-ня тер-мо-пар-них кабелів до-зволяє створити уні-фі--ковану кон-струк-цію ТП, обмежити їх но-мен-кла-ту-ру і спро-стити тех-но-ло-гію їх ви-го-тов-лення. Проте, ре-зуль-тати про-ве-де-них до-слід-жень по-ка-зали, що існує певна не-ста-біль-ність НСХ ка-бель-них ТП (рис. 1), що й обу-мо-вило де-тальне ви-вчен-ня як самої не-ста-біль-ності НСХ та механізмів її ви-ник-нен-ня, так і низки інших, ви-зна-чаль-них для виробників та ко-ри-сту-ва-чів ТП па-ра-метрів, у тісному зв’язку з фізико-хе-міч-ни-ми, ме-та-ло-струк-тур-ни-ми та тер-мо-ди-на-міч-ни-ми про-це-са-ми, що від-бу-ва-ють-ся у різних елементах ка-бель-них ТП. За ре-зу-ль-татами про-ве-де-них до-сліджень запропоновано заходи для змен-шення дрейфу НСХ, що ба-зу-ють-ся на засадах ста-білізації хе-міч-ного і струк-турного скла-ду тер-мо-елек-трод-них стопів та їх спе-ціальної тер-мо-об-роб-ки (ТО). Тер-мо-пар-ні кабелі, а у де-яких випадках й ТП, до-сліджувались за температур, близь-ких до гранично допустимих в процесі їх експлуатації. При цьому встановлено, що інтегральна термо-ЕРС тер-мо-па-ри ХА(К) є нестабільною. Це пов’язано з про-це-са-ми розвпорядкування структури у алю-ме-ле-вому термоелектроді, що й спонукало до проведення додаткових до-слід-жень з вивчення впливу фізико-хе-міч-них процесів, які відбуваються в матеріалах кабельних ТП, на їх термометричні і ме-ханічні властивості. У цілому якісна картина зміни термо-ЕРС тер-мо-електродних матеріалів по-яс-ню-ється низкою причин, зведених, в даній роботі, в дві основні групи:

- зовнішні - зумовлені хемічною вза-ємо-дією тер-мо-еле-ктродів з ото-чу-ючим се-ре-до-ви-щем (оксидування, кар-бі-дизація), се-лек-тивне ви-па-ро-ву-вання ком-по-нен-тів тер-мо-елек-трод-них матеріалів, їх вза-ємодія з ма-те-ріалами арматури ТП;

- внутрішні - зумовлені зміною термодинамічного стану тер-мо-електродних матеріалів внаслідок протікання в них тер-мо-ди-на-міч-них про-цесів у разі зміни температури (ре-кри-сталізація, фа-зо-ві пе-ре-тво-рен-ня).

У роботі особливо акцентується на вивченні впливу фізико-хе-міч-них процесів, які протікають в еле-мен-тах конструкції кабельних ТП і впли-вають на їх механічні властивості. В ре-зу-ль-та-ті досліджень основних ха-рак-теристик кон-струк-цій-них ма-те-рі-а-лів кабельних ТП, встановлено, що при кімнатних температурах зі збіль-шенням роз-міру зер-на ха-рак-те-рис-тики їх ко-рот-котривалої міцності знижуються, пла-стичності зростають, а при вищих температурах – подані на рис. 2.

Дослідження впливу тем-пе-ра-ту-ри на вто-му показали, що за тем-пе-ра-тур 20 0С і 600 0С най-дов-го-віч-нішим є стоп ХН45Ю. При 800 0С най-біль-ша дов-го-віч-ність за ви-со-ких ступенів де-фор-мації при-та-ман-на сталі 15Х25Т, а для низьких сту-пе-нів деформації кри-ві мало-цик-ліч-ної вто-ми для всіх до-слід-жу-ва-них ма-те-рі-алів роз-та-шо-ва-ні по-ряд. Осо-бливу увагу під час ви-бо-ру ма-теріалів захисних чохлів для ка-бель-них ТП необхідно при-ді-ля-ти їх жа-ростійкості (рис. 3). До-слід-жено, що дов-готривала міц-ність сталей і сто-пів за--лежить від дис-персності їх струк-ту-ри. Так, швид-кість ок-си-ду-ван-ня сто-пу ХН45Ю (криві 1, 2), ста-лей 12Х18Н10Т (криві 3, 4) з різною ди-с-перс-ніс-тю струк-тури не-од-на-ко-ва, при-чому оксидування проходить ін-тен-сив-ні-ше у зразках із гру-бо-зер-нис-тою структурою. Це пояснюється тим, що ре--кри-ста-лі-за-ційне від-па-лю-ван-ня при-во-дить матеріал до стану рівноваги, змен-шує де-фект-ність струк-тури, сповільнює ди-фу-зію хро-му в оксид.

Аналіз результатів до-слід-жен-ня впливу ме-ха-ніч-них на-пру-жень на жа-ро-стій-кість ма-те-ріалів по-ка-зав, що зі зростанням температури жа-ро-стій-кість ма-те-рі-а-лів змен-шу-ється. Ме-та-ло-гра-фіч-ним ана-лізом під-твер-дже-но, що ок-си-ду-ван-ня зразків по гра-ни-цях зерен під на-ван-та-жен-ням про-хо-дить значно ін-тен-сив-ніше, ніж без на-ван-та-жен-ня.

Вста-нов-ле-но, що най-більш сут-тє-вим фак-то-ром впливу на стрім-ку змі-ну ме-тро-ло-гіч-них па-ра-мет-рів можна вважати ви-ник-нен-ня струк-тур-них і хемічних мікронеоднорідностей на границях зерен тер-мо-елек-тродів.

У другому розділі роз-гля-да-ють-ся основні аспекти за-про-по-но-ва-ного енергетичного підходу до ви-рішення проблем під-ви-щен-ня точ-ності і на-дій-но-сті первинних ТП та ана-лі-зу-ють-ся загальні енер-ге-тичні кри-те-рії оцінок ТП кон-такт--ної тер-мо-мет-рії. Для ТП енер-ге-тичний підхід є неявним, ос-кіль-ки ви-хідним па-ра-метром їх НСХ є елек-трична напруга. Проте, тер-мо-ди-на--мічний аналіз по-токів перенесення тепла і заряду мо-же слу-гу-ва-ти базою для оці-нювання дрейфу НСХ, а ентропія є мі-рою тем--пературної зміни хемічного по-тен-ціалу термоелектродних матеріалів, що ви-зна-чає рівень внутрішніх тер-мо-мет-ричних шумів.

У межах класичної термодинаміки сума змін роботи зовнішніх сил А, вільної енергії F та дисипованого тепла Qdis системи прямує до нуля:

, (1)

де dQdis/dt - швидкість дисипації тепла; dA/dt - потужність зовнішніх сил; ;  відповідно, деформація та швидкість деформування; ; - відповідно, механічні напруження та швидкість їх зміни.

Коли ж на матеріал не діють зовнішні сили, проблеми надійності ТП можна вивчати співставленням змін вільної енергії з розсіюванням тепла:

(2)

Якщо у (2) зміни вільної енергії виразити через зміни НСХ основного параметра передавальної функції Z, де параметр Z відповідає напрузі на клемах ТП, отримаємо:

(3)

Зміни вільної енергії та зміни НСХ (за модулем) не залежать від того, поглинається тепло чи виділяється, а отже, регулюючи ступінь виділення або поглинання енергії, можна впливати на метрологічні характеристики ТП. З метою ре-а-лі-зації наведених вище теоретичних засад запропоновано спосіб без-де-мон-таж-ної ста-білізації НСХ кабельних ТП. В основу способу покладено періодичне пропускання струму по тер-мо-елек-тро-дах ЧЕ. Для відомих ді-а-метра та пи-то-мої елек-тро-про-відності дротів можна роз-ра-ху-вати тривалість про-пу-скання електричного струму h:

(4)

де I _електричний струм; C _коефіцієнт переходу; r _радіус термоелектрода;  _питомий опір термоелектродного матеріалу; te _тривалість експлуатації ТП до відпалювання; Te _температура експлуатації; Th _температура термообробки; Ea _енергія активації дифузійних змін для матричних атомів, k - стала Больцмана.

Отримані експериментальні дані показують, що у разі реалізації цього спо-со-бу метрологічна надійність ТП зростає в 3…4 рази за тем-пе-ра-тур 800…1000 0C. Даний підхід може бути ефективним для про-гно-зу-ван-ня дрей-фу НСХ кабельних ТП. Змінюючи температурно-часові умови ро-бо-ти ТП у ме-жах 1,15...1,17 ·Te можна: - скоротити тривалість розробки ТП на під-при-єм-ствах виробничого циклу; - підвищити метрологічну надійність ви-го-тов-лених ТП в процесі їх експлуатації, дотримуючись приведених умов та ре-жи-мів. Для цього слід здійснити відпал ТП за температур, вищих на 15…17 % від екс-плуатаційних протягом часу, орієнтовно на два порядки, меншого за відпрацьований ре-сурс. Значення, на яке необхідно підвищити температуру від-па-лю-ван-ня, слід визначати з умови забезпечення однакової довжини ди-фу-зій-ного шляху де , для умов відпалювання та екс-плу-атації:

(5)

де a - стала, що зв’язана з Ea ; T1, T2 _ відповідно, температура відпалювання й експлуатації; t1, t2 _ відповідно тривалість відпалювання й експлуатації.

Для зменшення дрейфу НСХ кабельних ТП запропоновано введення їх заздалегідь в такий термодинамічний стан, який би відповідав умовам екс-плу-ата-ції, а вихід їх на мак-си-маль-ну тем-пературу здійснювати із зу-пин-ками на проміжних тем-пе-ра-турах. При цьому зна-чен-ня тер-мо-струк-тур-них на-пру-жень в тер-мо-мет-рич-них ма-те-рі-а-лах змен-шуються май-же на по-ря-док, а результати до-слід-жень, при-ведені на рис. 4, свід-чать про ефек-тив-ність та-кої про-це-дури: дрейф НСХ змен-шу-єть-ся у 2…4 ра-зи. Най-кра-щі ре-зу-ль-тати були отримані, ко-ли пер-ша із про-між-них тем-пе-ра-тур від-по-ві-дала тем-пе-ра-турі полі-го-ні-зації ма-те-рі-алу, а дру-га - зна-хо-дилася-між першою та мак-си-маль-ною тем-пе-ра-ту-рою екс-плу-ата-ції.

У роботі оцінено вплив ме-ха-ніч-них напружень та де-фор-мацій на ін-те-граль-ну тер-мо-ЕРС. Встанов-ле-но, що тер-мо-ЕРС зро-стає із збіль-шен-ням рівня ме-ха-ніч-них на-пружень та тем-пе-ра-ту-ри тер-мо-елек-тро-дів. Про-те, у ра-зі до--сяг-нен-ня тем-ператури ре-лак-са--ції ме-ха-ніч-них на-пру-жень, ін-те-граль-на тер-мо-ЕРС спа-дає, що, від-повідно, й обу-мов-лює зміни НСХ. Ко-ли ж вздовж осі тер-мо-мет-рич-ного матеріалу у фор-мі дов--го-го ци-лін-дра існує роз-по-діл гід-ро--ста-тич-но-го тис-ку й ме-ха-ніч-них напружень, то наведена термо-ЕРС залежить не лише від діючих механічних напружень, але й від виду розподілу температури та її гра-ді-єн-та, який припадає на напружену ділянку. Зокрема, під час дії деформації, скон-цен-тро-ваній на невеликій дов-жи-ні, зміни НСХ менш інтенсивні, оскільки на об-ла-сть зосередженої де-фор-мації припадає незначна зміна температури.

Показано, що під час термоциклювання процес нагромадження механічних на-пру-жень 1-го, 2-го і 3-го родів з часом та за високотемпературної витримки здат-ний обумовлювати виникнення, зокрема, концентраційних рельєфів. Це також обумовлює зміни термоелектричних властивостей по дов-жині і в об’ємі, які у полі наявного градієнту температури спричиняють змі-ни НСХ.

Третій розділ присвячено вирішенню проблеми підвищення метрологіч-ної на-дійності кабельних ТП, дослідженню стабільності їх метрологічних ха-рак-те-ристик та структурного стану матеріалів елементів конструкції і тер-мо-елек-тродів. Досліджувались кабельні ТП двох варіантів виконання: з ізольованим та з неізольованим робочим злютом. Герметизацію робочого злюту ТП виконували зварюванням в захисній атмосфері аргону. Якість герметизації контролювалася в процесі виробництва гелієвими шукачами течії, а також шляхом ви-мі-рю-вання електричного опору ізоляції. Додатково якість зварювання кон-тро-лю-ва-ла-сь рент-ге-нів-сь-ким та електричним способами. Останній передбачає дію серії термоударів на ТП у процесі виготовлення. Для цього злюти нагрівали до 36010 0C, ви-три-му-ва-ли їх протягом 5 хвилин з подальшим зануренням у воду або зріджений азот. Па-ралельно здійснювали запис перехідного процесу зміни електричного опо-ру ТП. Встановлено, що для перевірки якості робочого злюту достатньо ви-конати серію з 3-ох термоударів. Експлуатаційні випробовування показали ви-соку надійність (тисячі термоударів без руйнування робочого злю-ту) зразків ТП, які пройшли перевірку згідно зазначеної методики. Досліджено, що незадовільна герметизація ТП спричиняє інтенсифікацію хемічної ко-ро-зії термоелектродів за умов підвищеної вологості ізоляційного матеріалу. При цьо-му відбувається інтенсивна зміна основних характеристик ТП і метрологічна від-мова передує механічній. З метою дегідратації ізоляції, перед гер-ме-ти-за-ці-єю ТП рекомендується здійснювати нагрівання кабельної частини до тем-пе-ра-ту-ри 400±10 0С з витримкою протягом 4 год.

З метою визначення метрологічної надійності кабельних ТП до-слід-же-но вплив на ста-біль-ність їх НСХ попереднього тех-но-ло-гіч-но-го від-па-лю-ван-ня. Загальна направленість досліджень - вста-нов-лен-ня гра-нич-них зна-чень температури та три-ва-лості екс-плу-а-та-ції до-слі-джу-ва-них ТП, при яких дрейф їх НСХ не перевищує  ,6 К. Результати дослідження від-хи-лен-ня по-ка-зів ТП на ос-нові тер-мо-пар-но-го ка-бе-лю діаметром 1,5 мм, вна-слідок їх експлуатації протягом три-ва-лого ча-су за різних температур, при-ве-де-но на рис. 5.

В роботі визначено граничний ресурс досліджуваних ТП гра-ду-ю-ван-ня ХА(К). Час, за який їх НСХ змінилася не більше, ніж на  ,6 К, не пе-ре-ви-щує для ТП з кабелю діаметром 3,0 мм: за 1523 К - 18 год.; за 1273 К - 700 год.; для ТП з кабелю діаметром 1,5 мм за 1273 К ?500 год.; для ТП з кабелю діаметром 1,0 мм при 873 К - 700 год.

За результатами до-слід-жень ре-ко-мен-дується здій-сню-ва-ти ста-бі-лі-за-цій-ний тех-но-ло-гіч-ний від-пал ТП при 550 0С про-тя-гом 3 год., що га-ран-тує від-тво-рю-ва-ні-сть їх НСХ (для ка-бе-лів ді-а-ме-т-ром 1,0...3,0 мм) у ме-жах   К при ресурсі до 10  год. за тем-пе-ра-тур 300…800 0С. При ви-щих (>900 0С) температурах спо-сте-рі-гаєть-ся ви-хід НСХ за до-пус-ти-мі межі, що можна по-яс-ни-ти про-це-са-ми ре-кри-ста-лі-за-ції, які при-зво-дять до змі-ни на-пру-же-но-де-фор-ма-цій-ного рель-єфу тер-мо-мет-рич-них ма-те-рі-алів.

Наслідки впливу дії ци-кліч-ної експлуатації в окислювальному се-ре-до-ви-щі на метрологічну надійність кабельних ТП вивчали на відпалених од-но-тип-них зразках з діаметрами кабелю від 1,0 до 3,0 мм. Як показав ана-ліз ре-зуль-та-тів проведених досліджень, зміни НСХ ТП некабельного типу у де-кіль-ка раз перевищують зміни НСХ ТП кабельного типу для тих самих умо-в. ТП кабельного типу, завдяки наявності захисної рурки, витримують значно вищі механічні навантаження, як постійні у часі, так і змінні. Виконано серію досліджень з вивчення впливу на кабельні ТП циклічного механічного на-ван-та-ження. Дослідження проводилися на спе-ці-аль-но створеній уставі, яка моделювала згин кабельних ТП, що відповідає тра-су-ванню ТП в об’єктах з рухомими компонентами. При дослідженні 3-виткова спі-раль діаметром 80…100 мм (для ТП з діаметром кабелю 1,0…1,5 мм) за-без-пе-чила можливість циклічного обертання робочого злюту в межах  0 без руй-нування ТП для кількості циклів до 40 . При цьому радіальний і аксіальний градієнти тем-пе-ра-тури не перевищували 2 К/мм.

Вплив зміни структурного стану термоелектродних матеріалів на ста-біль-ні-сть НСХ вивчали на зразках діаметром 0,08…1,0 мм, які підлягали дії тер-міч-них ударів у температурному діапазоні 20 0С1000 0С загальною кількістю - 40 і три-валістю 14 год. кожний та у режимі 20 0С1100 0С загальною кількістю - 50 такої ж тривалості. Після тер-мо-цик-лю-ван-ня про-водилися металографічні до-слід-ження із застосуванням спеціалізованого мікроскопу „Neophot”. Вста-нов-ле-но, що вплив температур, вищих за 1000 0С, при-зво-ди-ть до струк-тур-них змін тер-мо-ме-трич-них ма-те-рі-алів. Зо-кре-ма, усу-ва-єть-ся ближ-ній по-рядок у хро-ме-левому тер-мо-елек-тро-ді, а роз-мі-ри зе-рен збіль-шу-ють-ся. У най-більш жор-стких умовах ви-про-бувань тер-мо-елек-трод-ні ма-те-рі-али ін-тен-сив-но окис-лю-ють-ся з по-верх-ні. Зо-кре-ма, в умовах ви-про-бу-вань, що без-по-се-редньо пе-ре-ду-ва-ли ме-ха-нічній від-мо-ві шля-хом обриву тер-мо-елек-тро-дів ТП типу ХА(К), на їх по-верх-ні спо-сте-рі-гався ок-сидний шар товщиною до 6 мкм. Під цим шаром є підшар металу з губ-частою структурою, під яким за-ли-ша-ється не-ок-си-до-ва-на сер-це-ви-на. До-слід-жу-ва-ний хромель в по-чат-ко-вому стані мав дріб-ні-ше зерно, ніж алю-мель (рис. 6 а і 7 а). Під впливом високої тем-пе-ра-тури спо-сте-рі-га-ло-ся зро-стан-ня роз-міру зерен в обох сто-пах (рис. 6 б і 7 б). Для вищої температури та тривалішої витримки (1100 0С про-тя-гом 50 циклів) у сла-бо-ок-си-ду-вальному се-ре-до-ви-щі про-цес ре-кри-ста-лі-за-ції про-ті-кав знач-но ін-тен-сив-ні-ше і до-мінував над про-це-сом га-зо-вої ко-розії (рис. 6 в і 7 в). Результати рент-ге-нів-сько-го фазового аналізу ша-ру окалини на по-верх-ні хро-ме-лю по-ка-за-ли, що ока-ли-на пе-ре-важ-но скла-да-ла-ся зі шпі-не-лі NiAl2O4.

Для де-таль-ного ви-в-чен-ня сут-нос-ті ме-та-ло-фі-зич-них про-це-сів, які від-бу-ва-ли-ся у тер-мо-мет-рич-них ма-те-рі-алах під дією ви-со-ких тем-пе-ра-тур, у ро-бо-ті вив-чав-ся якіс-ний та кількісний склад ма-те-ріалу не лише на по-верх-ні, але й у гли-би-ні тер-мо-елек-тро-дів. До-слід-жен-ня про-во-ди-лись на рас-тро-во-му елек-трон-но-му мі-кро-ско-пі – рент-ге-нів-сько-му мікро-ана-лі-за-то-рі РЕМ-РМА фір-ми „CAMEBAX”. Останній до-зво-ляє ви-ко-на-ти ло-каль-ний хе-міч-ний ана-ліз поверхні зрі-зу тер-мо-електродів в областях об’ємом біля 1 мкм3. Результати до-сліджень показали виняткове значення впливу чистоти виготовлення ТП на їх метрологічну та механічну надійність. Встановлено, що істотного значення на-бу-ває не так загальна чистота конструкційних матеріалів, як чистота їх поверхні. Наявність домішок вуглецю може призвести до формування вуглецевого циклу у замкнутому об’ємі зони робочого злюту, обумовлюючи передчасну від-мову ТП. За результатами металографічних досліджень термоелектродів ТП, які передчасно відмовили, можна стверджувати про формування в них ма-гі-стра-ль-них тріщин на механічно та хемічно послаблених ділянках. Не виключено, що ці тріщини обумовлені саме участю вуглецю у процесі окрихчування тер-мо-ме-трич-ного ма-те-рі-алу за спіль-ної дії тем-пе-ра-тури та механічних на-пру-же-нь.

Встановлено, що за високих температур руй-нування тер-мо-ме-три-ч-ного матеріалу по-чи-на-єть-ся з поверхні і по-в’я-за-не з пе-ре-роз-по-ді-лом хе-міч-них еле-ментів, мож-ли-во, вна-слідок впли-ву по-пе-редньо вне-се-них ме-ханічних на-пру-жень. Перерозподіл при-зво-дить до утво-рен-ня зон з різним хе-міч-ним скла-дом та має склад-ний ха-рактер. Іс-тот-ним та-кож можна вва-жати вплив струк-тур-них про-це-сів, зв’я-заних зі змінами на-пру-же-нь і де-формацій, на зміни термо-ЕРС. Ці про-цеси від-буваються в об’ємі ма-теріалу і особливо відчутні у хромелевому тер-мо-елек-троді. За середніх та ви-со-ких температур вони не компенсуються аналогічними процесами в алюмелевому термоелектроді. Зокрема, процес ближнього впо-ряд-кування, який відбувався у хромелі за 300…500 0С і проявлявся у збільшенні ін-тегральної термо-ЕРС, був відсутній у алюмелі. Вищезгадані фактори, відповідно до запропонованої в роботі класифікації, можна віднести до сукупності внут-ріш-ніх факторів, що дозволяє акцентувати увагу на їх зв’язку зі змінами тер-мо-ди-на-мічного стану, зокрема, робочого злюту чутливого елементу ТП.

У роботі також опрацьовано режими стабілізації НСХ кабельних ТП та по-ка-зано, що завдяки впровадженню розроблених поетапних режимів виходу на тем-пературу експлуатації, можна істотно зменшити рівень механічних на-пру-жень в матеріалах їх елементів, а в результаті - підвищити метрологічну на-дій-ні-сть.

В четвертому розділі аналізується і вирішується проблема підвищення ресурсу роботи кабельних ТП (див. табл.) в світлі тер-мо-ди-на-мі-ки не-оборотних процесів. Встановлено зв’язок між параметрами на-дій-нос-ті високоресурсних (25000 год.) ТП та тер-мо-динамічними параметрами їх термоелектродних і конструкційних матеріалів.

Вивчено вплив механічних навантажень на міцність кон-струк-ції та взаємозв’язок виробничо-технологічних напружень в еле-мен-тах кон-струкції кабельних ТП з параметрами їх довговічності. Визначено залежності моменту затягування від над-лиш-ко-во-го тиску при використанні прокладок з різних матеріалів.

Таблиця

Відхилення НСХ для кабельних ТП градуювання ХА(К)

(температура відпалу   К )

Температура градуювання, К | Відхилення, К

10 год. | 1000 год. | 10 год. | 25 год.

523 | + 0,42/+ 0,15 | +1,86/+ 0,38 | +1,88/+ 0,41 | +1,84/+ 0,39

573 | +0,93/+ 0,26 | +2,39/+ 0,51 | +2,37/+ 0,50 | +2,56/+ 0,54

623 | +1,21/+ 0,29 | +2,51/+ 0,35 | +2,51/+ 0,38 | +2,87/+ 0,43

673 | +1,41/+ 0,33 | +2,61/+ 0,60 | +2,73/+ 0,63 | +3,70/+ 0,79

873 | +1,95/+ 0,47 | +1,88/+ 0,48 | +1,85/+ 0,47 | +2,70/+ 0,52

1073 | +2,27/+ 0,44 | +2,19/+ 0,43 | +2,05/+ 0,40 | +2,92/+ 0,53

1273 | +2,58/+ 0,51 | +2,38/+ 0,47 | +3,8/+ 0,62 | +4,1/+ 0,69

1473 | +3,97/+ 0,71 | +6,10/+ 1,23 | +7,70/+ 1,45 | +9,91/+ 1,83

Примітка: дані у знаменнику відносяться до ТП, виготовлених і експлуатованих згідно комплексу методик, які розроблені в дисертаційній роботі

До-слід-жено вплив захисних покрить термометричних ма-те-рі-алів кабельних ТП на стабільність їх характеристик (рис. 8, 9). Встановлено, що ви-ко-рис-тання захисних покрить майже на порядок підвищує стабільність основних характеристик хромелевих та алю-ме-левих стопів (у випадку термоелектродів, відкритих для дії га-зо-вої ко-ро-зії) внаслідок значного зниження швидкості їх оксидування.

Обґрунтовано, враховуючи, що метрологічні відмови ТП можна усу-ва-ти шля-хом запропонованого автокалібрування аж до їх повної ме-ха-ніч-ної від-мови, доцільність застосування лише одного показника – ресурсу роботи – для опису інтегральної надійності кабельного ТП.

На підставі застосування енергетично-тер-мо-ди-на-міч-них засад реалізована нова концепція конструювання та виготовлення кабельних ТП, що, в кінцевому ре-зуль-таті, суттєво під-ви-щує їх інтегральну надійність.

За результатами проведених досліджень кабельних ТП, що се-рій-но ви-пус-ка-ються “Науково-виробничим об’єднанням “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ, сукупно з аналізом ре-зуль-та-тів статистичних даних їх експлуатації на об’єктах, для них встановлено гранично допустимі параметри вимірювального середовища: температуру, над-лишковий тиск, а також ресурс роботи при цих параметрах.

Доведено, що розроблення та належне виконання зазначених вище заходів, у комплексі, забезпечує підвищення надійності кабельних ТП на порядок, а ресурсу їх роботи до 25 год.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв’язана науково-прикладна задача підвищення точності вимірювання температури і збільшення ресурсу роботи кабельних ТП для особливо жорстких умов експлуатації шляхом створення основних засад розроблення ТП нового покоління на основі застосування ентропійно-енергетичної концепції до опису ме-тро-ло-гіч-ної і механічної надійності та створення узагальненої моделі надійності ТП, що дозволило отримати первинні засоби для вимірювання температури до 1200 0С з робочим ресурсом 25000 год.

1. За результатами аналізу метрологічних та експлуатаційних ха-рак-те-рис-тик ТП по-казано, що, для особливо жорстких умов експлуатації, оптимальним є за-сто-су-вання ТП кабельного типу.

2. Досліджено стабільність електрокінетичних та фі-зи-ко-механічних вла-сти-во-стей матеріалів термоелектродів, захисних рурок і чохлів кабельних ТП при відпалі й термоциклюванні. Доведено до-ціль-ність за-стосування енергетичного підходу до ви-рі-шення проблеми підвищення ста-бі-льності НСХ ТП до 1,5 К при 1200 0С.

3. Розроблено способи оптимального виходу кабельних ТП на режим експлуатації та без-де-мон-таж-ного відновлення НСХ шляхом періодичного про-пу-скан-ня струму по термоелектродах ТП.

4. На підставі розвинутих методів кон-тро-лю, ді-аг-нос-ти-ки й від-бракування, а також прогнозування і коригування па-ра-мет-рів на-дій-нос-ті і стабільності НСХ створено нові кабельні ТП з ресурсом роботи 25000 год.

5. Встановлено доцільність застосування єдиного показника – ресурсу роботи – для опису інтегральної надійності кабельного ТП та показано нерозривність конструкторсько-технологічно-екс-плу-ата-цій-но-го під-хо-ду для підвищення показника надійності до 0,959 при ресурсі 25000 год.

6. Обгрунтовані особливості встановлен-ня кабельних ТП на об’єктах но-вої тех-ніки, роз-кри-ті можливості їх безпечної експлуатації та оптимізовані спів-від-ношення параметрів елементів конструкції.

7. Сформульовано комплекс рекомендацій щодо подальшого розвитку ка-бель-них ТП, що забезпечує підвищення інтегральної надійності до 0,97 при ре-сур-сі ро-бо-ти до 30000 год.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

АНОТАЦІЯ

Гук О.П. Кабельні первинні термоелектричні перетворювачі з по-кра-ще-ними метрологічними і експлуатаційними характеристиками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спе-ціальністю 05.11.04 – прилади та методи вимірювання теплових величин - “Науково-виробниче об’єднання “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ, Львів, 2004.

Дисертація присвячена створенню основних засад проектування, ви-го-тов-лен-ня та експлуатації кабельних ТП з покращеними ха-рак-те-рис-ти-ка-ми. В роботі роз-крито доцільність застосування енергетичного підходу до ви-рі-шення про-бле-ми підвищення стабільності основних характеристик кабельних ТП, визначено та роз-ви-нуто шляхи стабілізації їх НСХ. Вивчено осо-бливості керування надійністю кабельних ТП та обґрунтовано не-розривність кон-струк-тор-сько-технологічно-екс-плу-ата-цій-но-го підходу до ви-рішення проблеми її під-ви-щення.

В роботі отримано математичні залежності для визначення оп-ти-мального спів-від-но-шення геометричних і метрологічних параметрів ка-бель-них ТП, зокрема ре-жи-мів термічної обробки й експлуатації, а також меж основ-ної допустимої похибки та технологічних параметрів їх виготовлення.

Одержані результати в комплексі використано при ви-зна-ченні базової конструкції та проектуванні нових типів кабельних ТП з по-кра-щеними ме-тро-логічними та експлуатаційними характеристиками.

Ключові слова: температура, термодинаміка, теплофізика, вимірювання, ме-трологія, термоперетворювач кабельний, характеристика перетворення, тер-мо-електрод, надійність, стабільність, технологія.

АННОТАЦИЯ

Гук О.П. Кабельные первичные термоэлектрические преобразователи с улуч-шенными метрологическими и эксплуатационными ха-рак-те-рис-ти-ка-ми. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по спе-циальности 05.11.04 – приборы и методы измерения тепловых величин - “Научно-производственное объединение “Термопрылад” им. В.Лаха” АОЗТ, Львов, 2004.

Диссертация посвящена созданию основ проектирования, изготовления и экс-плуатации первичных кабельных ТП с улучшенными характеристиками. В работе раскрыта целесообразность применения энергетического под-хода к ре-шению проблемы повышения стабильности НСХ кабельных ТП. На ос-но-ве тер-модинамического анализа теплофизических процессов, происходящих в тер-мо-метрическом материале, определены и развиты основные пути ста-би-ли-за-ции НСХ ТП.

Изучены особенности управления параметрами надежности ТП путем регулирования рассеиваемой и поглощаемой их термометрическими ма-те-ри-а-ла-ми энергии.

Обоснована неразрывность конструкторско-технологически-экс-плу-а-та-ционного подхода к решению проблемы повышения надежности кабельных ТП. Определены предельные условия применения кабельных ТП и предложена со-во-купность методов стабилизации их НСХ производственно-тех-нологическими мероприятиями.

Проанализированы особенности мон-тажа ТП на объектах но-вой техники, раскрыты возможности их безопасной экс-плу-а-та-ции, получены математические зависимости для определения оп-ти-маль-но-го со-отношения геометрических и метрологических параметров кабельных ТП, в част-ности ре-жимов термической обработки и эксплуатации, а также гра-ниц ос-нов-ной до-пустимой погрешности и технологических параметров их из-го-тов-ле-ния.

Сведены в единый комплекс, на этапе проектирования и из-го-то-вле-ния, тре-бования к особенностям производственно-технологического и экс-плу-а-та-ци-онного характера кабельных ТП, что позволило достичь су-щест-вен-но-го улуч-ше-ния их основных метрологических и экс-плу-а-та-ци-он-ных ха-рак-те-рис-тик.

По-лу-ченные результаты в комплексе использованы при опре-де-ле-нии базовой кон-струк-ции и проектировании новых типов кабельных ТП с улуч-шен-ными ме-тро-ло-гическими и эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова: температура, термодинамика, теплофизика, из-ме-ре-ние, ме-трология, термопреобразователь кабельный, характеристика пре-о-бра-зо-ва-ния, тер-моэлектрод, надежность, стабильность, технология.

ABSTRACT

Guk O.P. Initial cable thermoelectric transducers with improved metrological and operating characteristics. - Manuscript.

The thesis for an Academic of Technical Science degree specialized in 05.11.04 - devices and methods for thermal quantities measurement. Scientific and Production Association “Thermoprylad” named after V.Lakh, Lviv, 2004.

The thesis is devoted to creation the fundamentals of designing, manufacturing and usage of initial cable thermoelectric transducers (TT) with improved characteristics. Expediency of energy model application to solve the problem of improving stability of their calibration curve is revealed in this work. The basic roads of stabilization TT calibration curve are determined and developed. Special features of TT metrological parameters control by regulation of energy, dispersed and absorbed by thermoelectric materials of TT, are studied.

Indissolubity of designer’s, technological and usage approach to solve the problem of improving the reliability of serial cable TT is substantiated. Application limiting conditions of cable TT are determined. The totality of methods of stabilization cable TT calibration curve by production and technological measures is offered.

Mathematical dependence for determination the optimum meanings geometrical and metrological cable TT parameters, heat treatment and usage regimes, limits of basic error and technological parameters of manufacturing also, were obtained.

The results, obtained in this work, were used on designing new type of cable TT with improved metrological and operating characteristics.

Key words: temperature, thermodynamics, thermal physics, measurement, metrology, cable thermoelectric transducer, calibration curve, thermocouple wire, reliability, stability, technology.