Выбор материала чехла термопары в зависимости от условий применения

Защиту рабочих спаев термопар от механических и химических воздействий обеспечивают защитные металлические или керамические чехлы. Кроме защитных свойств материал чехла должен обладать высокой теплопроводностью для быстрой передачи тепла от нагретого измеряемого вещества или поверхности к термопреобразователю.

Металлические чехлы для термопар
Самые распространенные и при этом достаточно стойкие и прочные чехлы для термопар – стальные. При температурах до 800°С защитные чехлы термопар выполняются из стали 12Х18Н10Т, при температурах до 1050°С – из стали 15Х25Т или сплава ХН78Т, при температурах до 1200…1300°С – из сплава ХН45Ю.

Для измерения температуры расплавов стекла, используют защитные чехлы из молибдена с покрытием из дисилицида молибдена, а также чехлы из платонородиевых сплавов более устойчивые к агрессивной атмосфере стекловаренных печей.

К достоинствам металлических чехлов следует отнести их высокую прочность, устойчивость к ударным нагрузкам и достаточно высокую максимальную температуру применения. Кроме того, металлические чехлы термопар могут иметь различную форму или изгибаться при монтаже в случае необходимости (кабельные термопары). Металлический чехол может иметь небольшой диаметр, обладаю при этом минимальной тепловой инерцией, но сохраняя высокую механическую прочность и износостойкость.

К недостаткам металлических чехлов можно отнести недостаточную химическую стойкость в условиях агрессивной измеряемой среды.

Керамические чехлы для термопар
Важнейшими характеристиками керамики для защиты термопар являются однородность структуры, размер зерна, отсутствие пор и трещин(газоплотность), остатков связующих материалов, температурная стойкость. Состав, теплофизические и электротехнические свойства керамики нормируются международными стандартами МЭК 672-1-80, МЭК 672-3-84, в России - межгосударственным стандартом ГОСТ 20419-83.

При измерениях в коррозионно-активных средах и температуре свыше 1000 градусов предпочтительно применение термопар с керамическими защитными чехлы: из керамики различных марок, карбида кремния и даже искусственного сапфира. Керамические чехлы изготавливаются как из газоплотных, так и из негазоплотных (пористых) сортов керамики, что определяет область применения термопар.

Максимальный термоудар выдерживают пористые сорта керамики, но они не способны защитить внутренний объем чехла от химического воздействия окружающей среды. Из газоплотной керамики наиболее устойчива к термоударам муллитокорундовая керамика С610, состоящая из смеси оксидов Al2O3 и SiO2 . С увеличением содержания Al2O3 увеличиваются прочностные характеристики керамики, теплопроводность и максимальная рабочая температура, химическая стойкость, но уменьшается стойкость к термоударам. Именно поэтому стандартный чехол термопреобразователя с термопарой из драгоценных металлов выполняется двойным.

Наружный чехол выполняется из газоплотной или пористой керамики, стойкой к термоударам, а внутренний чехол - из газоплотной керамики с высоким содержанием Al2O3. При рабочих температурах выше 1500°С приходится использовать керамику с максимальным содержанием Al2O3 и плотности, которая требует особо бережного обращения в рабочих условиях эксплуатации. Вообще очень важно правильно применять типы керамики в зависимости от условий ее применения. Далеко не всегда самая дорогая керамика обеспечит необходимый ресурс работы.

Керамические чехлы для термопар из керамики на основе нитрида кремния Si3N4
Керамика на основе нитрида кремния Si3N4 имеет нулевую пористость, а чехлы из неё используются в качестве изолирующих компонентов термопреобразователей температуры, служащих преимущественно для измерения температуры в расплавах цветных металлов.

Данный вид керамики изготавливается в рамках процесса так называемого шликерного литья, который не позволяет добиться минимальных допусков по геометрии изделий, но позволяет получить абсолютно плотный материал. Преимущества результирующие из нулевой пористости и высокой плотности материала и позволяют использовать его в прямом контакте с расплавами цветных металлов и железа.

Керамика данного класса выпускается трех разновидностей:

• керамика повышенной износостойкости;
• керамика повышенной жаропрочности;
• керамика универсального назначения.

Чехлы из керамики повышенной износостойкости могут использоваться также в приложениях предполагающих сильное механическое воздействие на них частиц сажи на высоких температурах вплоть до 1400°C.

Из-за возможности применения чехлов из керамики с повышенной износостойкостью в рамках термических процессов с большой механической нагрузкой оказываемой непосредственно на чехлы, последние могут быть предпочтительным решением для предприятий, специализирующихся на сжигании (промышленных) отходов и предприятий химической и металлургической отраслей промышленности.

Отличительными особенностями керамики на основе нитрида кремния Si3N4 являются:

• высокая прочность материала даже при высоких температурах;
• высокая стойкость к тепловым ударам;
• устойчивость к смачиванию и коррозии при погружении в расплавы цветных металлов.

Керамические чехлы для термопар из керамики на основе карбида кремния SiC
Керамика на основе карбида кремния SiC (карборунда), из которой предлагаются защитные чехлы для термопар, выпускается четырёх разновидностей:

1. на основе инфильтрированного карбида кремния;
2. на основе рекристаллизованного карбида кремния;
3. на основе карбида кремния на глиняной связке;
4. на основе рекристаллизованного карбида кремния с присадками.

Первые два из этих сортов керамики нормированы стандартом DIN EN 12 212. Последние два сорта стандартами не нормированы.

Отличительными особенности керамики на основе карбида кремния SiC являются:

• высокая коррозийная и эрозийная стойкость даже при взаимодействии с сильными кислотами и щелочами;
• высокая стойкость к окислению;
• хорошая стойкость к тепловым ударам;
• очень высокая механическая прочность и теплопроводность;
• высокая жаропрочность материала.

Термопреобразователи в защитных чехлах из карборунда, обладающих повышенной износостойкостью, могут применяться для измерения температуры в средах, содержащих абразивные частицы.

Металлическим гильзам кремний-углеродная керамика уступает, пожалуй, только по ударной прочности. В зависимости от агрессивности сред срок службы чехлов для термопар колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч часов.

Керамические чехлы для термопар из муллитовой и корундовой керамики
Керамика с высоким содержанием оксида алюминия Al2O3, из которой изготавливаются защитные чехлы для термопар, выпускаются трех сортов:

1. кордиеритовая керамика: С530;
2. алюмосиликат: С610;
3. керамика на основе оксида алюминия: С799.

Все из названных сортов керамики нормированы стандартами DIN 60 672 и DIN VDE 0335. Сорт С530 имеет относительно малую плотность и потому не является газоплотным сортом. Сорта С610 и С799, напротив, отличаются относительно высокой плотностью материала и являются газоплотными сортами керамики.

Отличительными особенностями названных сортов керамики являются:

• высокая прочность материала;
• высокая твёрдость материала;
• термостабильность;
• высокая износостойкость даже на высоких температурах;
• высокая коррозийная стойкость даже на высоких температурах.

Керамические чехлы для термопар из кварцевой керамики
Кварцевая керамика отличается химической чистотой, жаропрочностью, устойчивостью к кристаллизации, имеет низкий коэффициент термического расширения (по сравнению с другими керамическими материалами).

Кварцевые чехлы выдерживают резкий перепад температур - до 1000-1200°С и могут использоваться в кислых и нейтральных средах при температуре до 1250°. Чехлы их кварцевой керамики устойчивы к кристаллизации (при нагреве до 1200°С, в течении 2 часов) и при нагреве до 1000°С, с последующим охлаждением в проточной воде (15 теплосмен).

Для термопреобразователей в чехлах из кварцевой керамики (SiO2) допускается любая скорость нагрева в рабочей среде, в то время как для термопреобразователей в защитных чехлах из карбида кремния (SiC) и нитрида кремния (Si3N4) не более 100°С/мин, для корунда (А12О3) не более 60°C/мин.

Источник: http://azbukakip.ru/publ/ehlementy_avtomatiki/vybor_materiala_chekhla_termopary_v_zavisimosti_ot_uslovij_primenenija/3-1-0-27