Ремонт термоэлектрических преобразователей

Осмотр термоэлектрических преобразователей

Термопреобразователь разбирают на отдельные части, очищают их от грязи и тщательно осматривают с целью выясне­ния состояния термоэлектродов и их рабочего конца, зажимов на вкладыше головки и самого вкладыша, керамического изоляционного вкладыша (стаканчика) для рабочего конца термопары, защитной трубки.

Схема термоэлектрического преобразователя.

При осмотре термопар, у которых термоэлектроды изготовлены из неблагородных металлов или сплавов (медь, копель, хромель, алюмель и др.), проверяют отсутствие поперечных трещин, которые иногда появляются в результате длительной работы термопреобразователя при высоких для термоэлектродов температурах или вследствие частых попеременных изменений температуры исследуемой среды.

Появление трещин в термоэлектродах может быть также следствием механических напряжений от неправильного нормирования термопреобразователя. Так, применение двухканальных изоляторов при толстых термоэлектродах часто приводит к выходу термопреобразователей из строя. Недопустимо, чтобы термопара, особенно изготовленная из толстых термоэлектродов, своим рабочим концом упиралась в дно защитной трубки или изоляционного керамического вкладыша (стаканчика).

При внешнем осмотре термопар, термоэлектроды которых изготовляются из благородных металлов или сплавов (платина, платинородий и др.), проверяют отсутствие на поверхности «пересечек» — мелких углублений (как от удара ножом). При их обнаружении термоэлектроды в местах, где замечены «пересечки», разрывают и сваривают

Отжиг термопар из благородных металлов

Способ изготовления термопар.

В эксплуатационных условиях при очень высоких температурах всегда удается защитить платинородиевые и платиновые термоэлектроды от воздействия на них восстановительной газовой среды (водород, оксид углерода, углеводороды), агрессивных газовых сред (углекислота) в присутствии паров оксидов железа, магния и кремния. Кремний, присутствующий почти во всех керамических материалах, представляет собой наибольшую угрозу для платинородий-платановых термопреобразователей. Термоэлектроды этих термопреобразователей легко его поглощают с образованием силицида платины. Происходит изменение термо-ЭДС, уменьшается механическая прочность термоэлектродов, иногда они полностью разрушаются в связи с возникшей хрупкостью. Неблагоприятное влияние оказывает присутствие угольных материалов, например графита, так как в них есть примеси кремнезема, который при высоких температурах в контакте с углем легко восстанавливается с выделением кремния.

Для удаления загрязняющих веществ из термоэлектро­дов благородных металлов или сплавов гермопары под­вергают отжигу (прокаливанию) в течение 30-60 мин элект­рическим током на воздухе. Для этого термоэлектроды освобождают от изоляторов и подвешивают на 2-х шта­тивах, после чего обезжиривают при помощи тампона, смо­ченного чистым этиловым спиртом (1 г спирта на каждый чувствительный элемент). Свободные концы термоэлектродов подключают к электрической сети напряжением 220 В или 127 В частотой 50 Гц. Ток, необходимый для отжига, регулируют посредством регулятора напряжения и контро­лируют по показаниям амперметра.

Чувствительные элементы термопреобразователей с гра­дуировочной характеристикой ПП (платинородий — пла­тина) с термоэлектродами диаметром 0,5 мм отжигают при токе 10-10,5 А [температура (1150 + 50)°С], чувстви­тельные элементы с градуировочной характеристикой типа ПР-30/6 [платинородий (30 %) – платинородий (6 %)] отжи­гают при токе 11,5-12 А [температура (1450±50) °С].

Во время отжига термоэлектроды промывают бурой. Для этого на жестяную или какую-либо другую пластинку насыпают буру и затем пластинку передвигают вдоль нагретого термоэлектрода таким образом, чтобы он был погружен в буру (не забывать об электропроводности пластинки). Достаточно 3-4 раза провести пластинкой с бурой вдоль термоэлектрода, чтобы платинородий и пла­тина были чистыми, без поверхностных загрязнений.

Может быть рекомендован и иной способ: по раска­ленному термоэлектроду сплавляют каплю буры, давая этой капле свободно скатываться.

По окончании отжига ток плавно уменьшают до ну­левого значения в течение 60 с.

После очистки оставшуюся на термоэлектродах буру удаляют: крупные капли — механически, а слабые остатки — промывкой в дистиллированной воде. Затем термопару вновь отжигают. Иногда промывки бурой и отжига бы­вает недостаточно, так как термоэлектроды все же остают­ся жесткими. Это указывает на то, что платина впитала кремний или другие несгорающие элементы и необходима очистка на аффинажном заводе, куда и направляют термо­электроды. Так же поступают, если на термоэлектродах остаются поверхностные загрязнения.

Проверка однородности термоэлектродов

При практи­ческом использовании термопреобразователя всегда обнару­живается некоторая разница температур вдоль длины его термоэлектродов. Рабочий конец термопреобразовате обычно располагается в зоне наивысшей температуры: например, в центре дымохода. Если перемещать некий измеритель температуры, например рабочий конец термопреобразователя (подключенный к другому милливольтметру), вдоль термоэлектродов первого термопреобразователя в направлении от рабочего к свободным концам, то будет отмечаться уменьшение температуры по мере удаления от центра дымохода к его стенкам.

Многозонная кабельная термопара: 1 -рабочие спаи; 2-термоэлектроды; 3 – оболочка; 4 – втулка; 5 – герметик; 6 – выводы термоэлектродов.

Каждый из термоэлектродов по длине обычно обладает неоднородностью (негомогенностью) — сказываются не значительное различие в составе сплава, наклеп, механические напряжения, местное загрязнение и т. п.

В результате неравномерного распределения температуры вдоль термоэлектродов и их неоднородности в термоэлектрической цепи возникают присущие точкам неоднородности термоэлектродов собственные термо-ЭДС, часть которых суммируется, часть вычитается, но все это приводит к искажению результата измерения температуры.

С целью уменьшения влияния неоднородности каждый термоэлектрод термопар из благородных металлов, особен­но образцовых, после отжига проверяют на однородность.

Для этого выпрямленный проверяемый термоэлектрод вводят в не включенную небольшую трубчатую электро­печь, способную при нагревании создавать местное тепловое поле. К положительному термоэлектроду присоединяют отрицательный зажим чувствительного нулевого гальванометра, к положительному зажиму этого гальванометра подключают положительный зажим источника регулируемого напряжения (ИРН), а к отрицательному зажиму ИРН — отрицательный термоэлектрод термопары. Такое включение ИРН дает возможность скомпенсировать (уравновесить) термо-ЭДС термопары напряжением от ИРН. Чтобы не повредить чувствительный нулевой гальванометр, сперва вместо него включают более грубый нулевой гальванометр, производят компенсацию термо-ЭДС, затем меняют местами нулевые гальванометры и выполняют окончатель­ную компенсацию термо-ЭДС, используя реостаты плавного регулирования ИРН и чувствительный нулевой гальвано­метр.

Включают электропечь, создают местный прогрев ис­следуемого термоэлектрода и медленно протягивают его через печь по всей его длине. При однородности металла или сплава термоэлектрода указатель нулевого гальвано­метра будет находиться на нулевой отметке. В случае же неоднородности термоэлектродной проволоки указатель ну­левого гальванометра отклонится влево или вправо от ну­левой отметки. Неоднородный участок термоэлектрода выре­зают, концы сваривают и спай проверяют на однород­ность.

При наличии незначительной неоднородности, когда дополнительная термо-ЭДС не превышает половины до­пускаемой погрешности для термо-ЭДС данной пары, участок термоэлектрода не вырезают и с указанной неод­нородностью не считаются.

Подготовка термоэлектродов к сварке

Если позволяет длина оставшихся несгоревшими термоэлектродов, вместо разрушенного рабочего конца изготавливают новый.

Таблица родов и классов материала.

Если имеется возможность изготовить термопару из новых термоэлектродов, самым тщательным образом про­веряют соответствие материала термоэлектродов изготавли­ваемому термопреобразователю, чтобы убедиться в его качественности.

Для этого на основании нормативных документов уста­навливают род материала, его техническую характеристи­ку, результаты испытания материала ОТК (отделом техни­ческого контроля) завода-изготовителя. При соответствии этих данных техническим требованиям материал может быть использован; в противном случае его подвергают испытаниям.

Для проверки однородности от бухты материала отре­зают кусок термоэлектрода длиной, превышающей необхо­димую для изготовления термопреобразователя, после чего с помощью зажимов к концам термоэлектрода подключают короткие медные соединительные провода. Зажимы опускают в теплоизоляционные сосуды с тающим льдом (0°С) и определяют однородность материала термоэлектрода.

Для определения рода материала и его класса от бухты отрезают около 0,5 м термоэлектрода и сваривают его с таким же куском платиновой проволоки марки «Экстра». Рабочий конец полученной термопары помещают в паровой термостат с температурой 100°С, а свободные концы отводят в теплоизоляционные сосуды с тающим льдом (0°С) и соединяют медными проводами с потенцио­метром. По термо-ЭДС, развиваемой термопарой, опреде­ляют род и класс материала (табл. 1).

По внешнему виду хромель от алюмеля отличается незначительно, однако хромель более тверд, чем алюмель, что легко определяется при изгибании, и, кроме того, алюмель магнитен в отличие от немагнитного хромеля.

Удовлетворяющий техническим требованиям материал разрезают на куски соответствующей длины и сваривают из них термопару.

При нарезке длина термоэлектрода должна быть несколь­ко большей, чем необходимо для размещения в арматуре: это нужно для закрепления концов термоэлектродов в зажимах головки термопреобразователя.

Сварка термопар в электрической дуге

При изготовле­нии термопреобразователей со стандартными градуировоч­ными характеристиками материал обоих термоэлектродов подбирают обязательно одного класса. В этом случае, например, хромелевый термоэлектрод, принадлежащий к I классу, в паре с алюмелевым термоэлектродом также I класса образует термопару с такой же термо-ЭДС, как пары из хромелевого и алюмелевого термоэлектродов II. III или IV классов (табл. 1).

Рисунок 1. Установка для электросварки термопар в электрической дуге при помощи трансформатора.

Наиболее часто для сварки платинородиевых, платиновых, медных, железных и копелевых термоэлектродов исполь­зуется электрическая дуга переменного тока от сети напря­жением 24 В. Указанное напряжение получают от трансфор­матора 220/12 В, мощностью 500 Вт, соединив вторичные обмотки трансформатора последовательно (сняв предвари­тельно кожух). Для этой цели подходит котельный трансфор­матор.

Установка, приведенная на рис. 1, пригодна не только для сварки термопар, но может быть применена и для восстановительного прокаливания (отжига) термопар из благородных металлов.

Схемы переключения вторич­ной обмотки трансформатора с 12 на 24 В приведены рис. 2

При сварке в электрической дуге свариваемые термоэлектроды из неблагородных металлов на одном конце скручивают, а на другом — соединяют с одним из зажимов вторичной обмотки, а ко второму зажиму подключают графитовый электрод; затем графитовый электрод прибли­жают к месту скрутки. Образовавшаяся электрическая дуга расплавляет металл. При достижении надежной сварки, графитовый электрод быстро удаляют.

Рисунок 2. Схема включения вторичных обмоток трансформатора.

Платинородий- платиновые термопары сваривают непосредственно в пла­мени зажженной электрической дуги, не касаясь термоэлектродами графитовых электродов (во избежание науглеро­живания термоэлектродов). Установка для сварки на посто­янном токе приведена на рис. 3

Скрутку термоэлектродов из неблагородных металлов перед сваркой посыпают бурой с песком. При сварке платинородий-платиновых термоэлектродов посыпки бурой не требуется, однако с бурой сварка идет быстрее.

Во время сварки применяют защитные очки для пре­дохранения глаз от яркого свечения электрической дуги.

Длительный ток короткого замыкания нагревает обмотки трансформатора до обугливания изоляции, что приводит к перегоранию проволочной обмотки. Поэтому первичную обмотку трансформатора защищают плавким предохрани­телем так, чтобы при перегрузке он перегорал, размыкая сеть питания трансформатора.

Рисунок 3. Схема установки для сварки платинородий-платиновых термопар в электрической дуге.

Обычно на электрической дуге наблюдается падение напряжения около 30 В. Поэтому при непосредственном включении сварочного устройства в сеть постоянного или переменного тока 220 В (рис. 1) полезно используется лишь небольшая часть потребляемой устройством электри­ческой энергии. Остальная электрическая мощность превра­щается в непроизводительную теплоту, выделяемую про­волокой реостата.

Неэкономичность работы установки при непосредствен­ном включении электрической дуги в осветительную сеть очевидна, но ввиду удобства этот метод находит при­менение при сварке платинородий-платиновых термопар.

Сварку в шарик платинородий-платиновых термопар производят в электрической дуге с углями диаметром 8-15 мм. Нарезанные термоэлектроды соединяют веревоч­ной скруткой и конец сваривают. После сварки термо­электроды раскручивают и место сварки осматривают. При сварке не должно образоваться «шейки» около шарика. В случае ее обнаружения при осмотре невооруженным глазом термоэлектроды сваривают заново.

Сварка термопар из неблагородных металлов в соляном электросварочном аппарате

Установка для сварки в хло­ристом барии приведена на рис. 4

Рисунок 4. Установка для электросварки термопар в хлористом барии.

1. Нарезанные термоэлектроды, в соответствии с их классом, подбирают в пары и концы их, предназначенные для сварки, тщательно очищают от оксидов на длине 25-30 мм механическим путем или травлением в растворе состава: 49% HN0₃, 49% НСl и 2% СиСl₂.
2. Производят травление термоэлектродов в вытяжном шкафу. После травления термоэлектроды промывают сна­чала в горячей, а затем в холодной проточной воде.
3. Очищенные рабочие концы парных термоэлектродов соединяют: хромель — алюмель, хромель — копель, железо — копель диаметром 3-3,2 мм — веревочной скруткой; хро­мель — алюмель, хромель — копель, железо — копель, медь —копель диаметром до 1,5 мм — телеграфной скруткой, причем алюмель и копель окручивают вокруг хромеля, железа или меди. Вид рабочих концов термопар после их сварки приведен на рис. 5
4. Производят сварку зачищенных и скрученных термоэлектродов в соляном электросварочном аппарате. Солью служит химически чистый хлористый барий.

Сварочный аппарат (рис. 5) подготавливают к работе следующим образом: в керамический стакан на 2/3 его высоты засыпают угольную крупку марки УК1. В насыпанную угольную крупку погружают графитовый или угольный тигель на 2/3 его высоты. После установки тигля в него засыпают соль — хлористый барий и пропускают через него электрический ток, отчего хлористый барий плавится.

Рисунок 5. Рабочие концы термопар.

Ток выключают и скрутку термоэлектродов погружают в расплавленную соль на глубину около 15 мм, после чего ток опять включают и рабочий конец термопреобразо­вателя для его оплавления плавно поднимают к поверх­ности расплавленной соли. Когда на свариваемом конце образуется крупная капля расплавленного металла, одновре­менно выключают ток и сваренный конец погружают в соль на глубину 15 мм, где выдерживают в течение 2-5 с, после чего быстро переносят в ванну с проточной холодной водой, и прилипшая соль отскакивает. Затем тщательно удаляют остатки флюса, после чего место сварки вновь промывают, но уже в горячей воде (60-80°С).

Как показывает опыт, при плохой очистке рабочего конца термопары от флюса срок ее службы значительно сокращается.

Сварка термопар в угольном порошке

Особо равно­мерные спаи получают при сварке термопар в угольном или антрацитовом порошке. Это устройство (рис. 6) может быть использовано также для нагревания обычных паяльников. В качестве электродного наполнителя исполь­зуют дробленые остатки угольных щеток от электро­машин или зерна антрацита размером 1-2 мм.

На переменном токе сварку производить довольно трудно, поэтому при наличии постоянного тока ему отдают предпочтение.

Сварка термопар на ацетиленовой горелке

Рисунок 6. Устройство для сварки термопар в угольном порошке.

 Термопары из неблагородных металлов и сплавов хорошо сваривают­ся на ацетиленовой горелке под слоем буры и песка. Для этого на рабочий конец насыпают буру, скрутку вводят в пламя горелки и прогревают. После того как бура расплавится и зальет место сварки, рабочий конец выводят из пламени горелки и погружают в кварцевый песок.

При этом рабочий конец покрывают тонким слоем шлка, что способствует хорошей сварке. Затем рабочий конец вновь вносят в пламя горелки и производят сварку, после чего неостывший еще спай погружают в воду и бура легко поддается отделению от термоэлектродов.

Армирование термоэлектродов

Качественные показатели изоляции термоэлектродов друг от друга и от защитной трубки имеют важное значение для всех видов термопреобразователей, работающих при температурах 1200-1300 °С. Изменение электрической проводимости изоляционных материалов при таких температурах может вызвать замыкание термоэлектродов, что приведет к погрешностям при определении температуры. Если термопреобразователь расположен в электропечи, где из-за электропроводимости футеровки имеется утечка тока, то это может вообще исказить результаты измерения. Например, при определении градуировочной характеристики образцовых термопреобразователей уже при нагреве до 1000°С приходится избегать соприкосновения оболочки термопреобразователя с жаровой трубой печи.

С этих позиций достаточно высоким требованиям удовлетворяют для термопар с градуировочной характеристикой ПР-30/6 (платинородий 30% — платинородий 6%)  изоляционные двухканальные трубки из оксида алюминия, для термопар с градуировочной характеристикой ПП (платинородий — платина) до 1200 °С — трубка из пирометри­ческого фарфора или оксида алюминия, выше 1200 С — из оксида алюминия. Диаметр трубок – 3-5 мм, длина – 300-50 мм, диаметр каналов  – не менее 0,9 мм. В один и тот же канал следует помещать термоэлектроды только одного типа.

Пример условного обозначения каната.

Для предохранения платиновых термоэлектродов от загрязнения родием изоляционные трубки, ранее приме­нявшиеся для изоляции платинородий-платиновых или платинородиевых термопар, предварительно обрабатывают: протравливают в горячей «царской водке», про­мывают дистиллированной водой и прокаливают при 1200°С.

Термоэлектроды с градуировочной характеристикой ХА (хромель — алюмель) и ХК (хромель — копель) изолируют короткими одноканальными керамическими бусами, на­пример из огнеупорного фарфора с повышенным содер­жанием глинозема (пирометрического фарфора). Термопары специального назначения армируют особой изоляцией. Так, термопару типа хромель — алюмель для алюминиевых сплавов изолируют асбестом, надеваемым на термоэлектроды в виде чулка из асбестового шнура.

Термоэлектроды термопреобразователя, отремонтиро­ванного или изготовленного одним из приведенных спо­собов сварки, изолируют друг от друга и присоединяют к зажимам вкладыша головки. У ремонтируемых термопреобразователей зажимы и их винты до сборки тщательно очищают от грязи и оксидов.

Собранный термопреобразователь, без наружной защит­ной трубки и головки, поступает на поверку с целью выяснения пригодности его к эксплуатации.

Ремонт защитных трубок

 Защитные трубки предохра­няют термоэлектроды от воздействия окружающей среды, т. е. от вредных для них газов или паров металлов, а также от воздействия высокой температуры среды. Чтобы измерение вообще можно было осуществить, защитная трубка должна быть изготовлена из достаточно прочного и химически стойкого материала. Наиболее часто защитные трубки изготовляются из пирометрического фарфора, квар­цевого стекла и металла (железо, жаростойкие стали).

Ремонт разрушенных или поврежденных фарфоровых или кварцевых защитных трубок сводится к их замене и ниже не рассматривается, а ремонт металлических трубок — к заварке поврежденных мест.

Металлические защитные трубки очищают от ржавчины, грязи и масла, после чего поврежденные места завари­вают на электрическом сварочном аппарате.

При заварке поврежденных мест или сварке защитных трубок из стали марки Ст.З применяют электроды типов 1512 с тонким покрытием.

При заварке поврежденных мест или сварке защитных трубок из кислотостойкой жаропрочной и жаростойкой ста­ли применяют электроды с толстым покрытием.

Силу тока при сварке и диаметр электродов выби­рают по данным, приведенным ниже:

Толщина стенки свариваемой трубки

арматуры, мм     1       2       3       4-5

Сила тока, А       35-45 60-70 80-120 100-120

Диаметр электродов, мм …. 2       2-3  3-4  4

Нижние пределы силы тока и диаметров электродов относятся к более тонким деталям, привариваемым к основной защитной трубке (приварка заплат, дна трубки, наращивание трубки); верхние пределы относятся к более массивным привариваемым деталям (фланцы, штуцера).

При сварке деталей толщиной более 3 мм на постояном токе к ним присоединяют зажим, имеющий обозначение « + », а к электроду — зажим со знаком «— », т. е. сварка происходит при прямой полярности.

Сварку тонких изделий (толщина материала менее 3 мм) ведут, присоединив зажим « + » к электроду, а « —» к детали, т. е. сварку производят при обратной полярности.

До приваривания к защитной трубке толщиной до 2 мм штуцер нагревают до температуры 250-300°С.

Во избежание прожогов тонкостенных деталей электрическую дугу задерживают на более массивных деталях: например, при сварке штуцера с трубкой дугу задерживают на штуцере.

Высокую жаростойкость сообщает стальным трубкам алитирование, т. е. поверхностное насыщение трубки алюминием. Процесс алитирования ведут, например, путем нагрева трубки в алюминиевом порошке, смешанном оксидом алюминия, в присутствии хлористого аммония при температуре около 1000°С.

Образующийся на поверхности трубки слой твердого раствора алюминия в стали имеет поверхностную жаростойкую пленку А1₂0₃, но при длительных нагревах, свыше 900°С, алюминий диффундирует в толщу трубки.

Защитные трубки термопреобразователей подвергают гидравлическому испытанию. Испытательное давление создают гидравлическим прессом и подают внутрь защитной трубки.

Испытательное давление различно: 0,5 МПа (5 кгс/см²) – для термопреобразователей без штуцера и 6 МПа  (60 кгс/см²) — со штуцером.

Для крепления фарфоровых защитных трубок платинородий-платиновых термопар в арматуре применяют огнеупорную замазку следующего состава (в массовых частях): сухая глина — 500, шамот молотый — 400, полевой шпат молотый — 100 и жидкое стекло до желаемой густоты.

При изготовлении замазки глина, шамот и полевой шпат должны быть высушены, смешаны, мелко растерты и просеяны через сито, имеющее 900 отверстий на 1 см².

Полученный порошок при употреблении растирают в жидком стекле.

Сушку замазки производят на воздухе в течение 48 ч.

Такая замазка выдерживает нагревание до 800°С.

Сборка термопреобразователей

 Закончив изготовление, ремонт и проверку частей, приступают к сборке всего термопреобразователя.

При этом производят следующие операции:

• тщательно очищают внутреннюю часть защитной трубки от заусениц, грязи и металлических опилок, чтобы изолиро­ванная термопара легко вкладывалась в трубку, а посторон­ние тела не замыкали термоэлектродов и не способство­вали их засорению оксидами металлов;
• после этого про­каливают трубку для выжигания остатков смазки, наличие которой может привести к науглероживанию термоэлектродов и выходу их из строя;
• для изоляции рабочего конца термопары в защитную трубку вкладывают специальный фарфоровый или шамот­ный вкладыш (стаканчик);
• добиваются, чтобы термопара не упиралась своим ра­бочим концом во вкладыш, так как при нагревании может возникнуть механическое напряжение, которое при­ведет термопару к разрушению;
• головку термопреобразователя снабжают прокладкой под крышку и наполнителем сальника;
• при подключении термоэлектродов к вкладышу головки соблюдают полярность термоэлектродов;
• на головках готовых термопреобразователей выбивают: условное обозначение термопреобразователя, обозначение градуировочной характеристики термопреобразователя, ра­бочую температуру при длительном применении, предель­ное допускаемое давление измеряемой среды; год и месяц ремонта.