Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов
Предложена методика и представлены результаты исследований инерционных свойств термопар, конструкции которых не имеют термогильзы. В экспериментах использовался расплав соли NaCl, который нагревался в индукционной плавильной печи. Для трех типоразмеров хромель-алюмелевых и вольфрамрениевых термопар...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96630 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов / В.В. Долиненко, Е.В. Шаповалов, В.А. Коляда, А.В. Гнатушенко, В.В. Якуша // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 4 (109). — С. 33-36. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860176681365405696 |
|---|---|
| author | Долиненко, В.В. Шаповалов, Е.В. Коляда, В.А. Гнатушенко, А.В. Якуша, В.В. |
| author_facet | Долиненко, В.В. Шаповалов, Е.В. Коляда, В.А. Гнатушенко, А.В. Якуша, В.В. |
| citation_txt | Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов / В.В. Долиненко, Е.В. Шаповалов, В.А. Коляда, А.В. Гнатушенко, В.В. Якуша // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 4 (109). — С. 33-36. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Предложена методика и представлены результаты исследований инерционных свойств термопар, конструкции которых не имеют термогильзы. В экспериментах использовался расплав соли NaCl, который нагревался в индукционной плавильной печи. Для трех типоразмеров хромель-алюмелевых и вольфрамрениевых термопар экспериментально получены значения их постоянных времени.
The method was offered and results of investigations of inertia properties of thermocouples, the design of which has no thermosleeves, were presented. In experiments the melt of NaCl salt, which was heated in induction melting furnace, was used. For three typical sizes of chromel-alumel and tungsten-rhenium thermocouples the values of their time constants were obtained.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:00:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791
УТОЧНЕНИЕ ИНЕРЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТЕРМОПАР,
ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ И СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
В. В. Долиненко Е. В. Шаповалов, В. А. Коляда,
А. В. Гнатушенко, В. В. Якуша
Предложена методика и представлены результаты исследований инерционных свойств термопар, конструкции ко-
торых не имеют термогильзы. В экспериментах использовался расплав соли NaCl, который нагревался в индук-
ционной плавильной печи. Для трех типоразмеров хромель-алюмелевых и вольфрамрениевых термопар экспери-
ментально получены значения их постоянных времени.
The method was offered and results of investigations of inertia properties of thermocouples, the design of which has no
thermosleeves, were presented. In experiments the melt of NaCl salt, which was heated in induction melting furnace,
was used. For three typical sizes of chromel-alumel and tungsten-rhenium thermocouples the values of their time constants
were obtained.
Ключ е вы е с л о в а : термопара; расплав соли; пос-
тоянная времени; сигма—дельта АЦП
Термопары являются доступным средством измере-
ния температуры при проведении экспериментов по
проверке адекватности тепловых математических
моделей сварочных, металлургических и других
процессов. Наибольшее распространение в дуговой
сварке и спецэлектрометаллургии получили термо-
пары хромель-алюмелевые (ТХА) и вольфрамре-
ниевые (ТВР, тип ВР5/ВР20). Они позволяют из-
мерять температуру соответственно до 1300 (ТХА)
и 2500 °С (ТВР) с погрешностью ± 1 °С.
Экспериментальные исследования обычно свя-
заны с циклическим нагревом изделия мощным ис-
точником теплоты. Поэтому температура в иссле-
дуемой зоне имеет характер несимметричного им-
пульса с крутым передним фронтом нарастания и
более пологим срезом спада. Однако ввиду наличия
инерционных свойств термопара формирует элект-
рический сигнал термо-ЭДС с отставанием во вре-
мени относительно истинного изменения темпера-
туры в контролируемой точке изделия. Чем больше
постоянная времени термопары, тем больше пог-
решность измерения температуры. Поэтому при про-
ведении экспериментов важно знать истинное значе-
ние постоянной времени применяемой термопары.
Для оценки постоянной времени τtp обычно ис-
пользуют такую формулу [1, 2]:
τtp = ρCd/(4αэфф), (1)
где ρ – плотность материала термопары, кг/м3;
C – удельная теплоемкость материала термопары,
Дж/кг⋅К; d – диаметр термопарной проволоки,
м; αэфф – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2⋅К).
Предварительные исследования показали, что
использование формулы (1) для оценки значения
постоянной времени термопары вызывает опреде-
ленные трудности. Коэффициент теплопередачи
определяет плотность теплового потока при пере-
даче тепла от одной среды к другой через разделя-
ющую их стенку. Из справочных данных для сум-
марных коэффициентов теплообмена двух сред
жидкость—тонкая стальная стенка—жидкость [3] в
качестве ориентировочных значений можно принять
αэфф = 25…500 Вт/(м2⋅К). Тогда, например, для хро-
мель-алюмелевой термопары, выполненной из прово-
локи диаметром d = 0,001 м с плотностью ρ = 8700
кг/м3 и удельной теплоемкостью C = 500 Дж/кг⋅К
[4], получали τtp = 2,3… 43,5 с. Если ориентиро-
ваться на верхний предел значений τtp, то на прак-
тике это должно вызывать значительное временное
запаздывание сигнала ЭДС термопары.
Целью данной работы является уточнение инер-
ционных свойств термопар, применяемых в иссле-
дованиях металлургических и сварочных процессов
для регистрации термических циклов. Одним из
важных характеристик при этом является способ-
ность температурного датчика верно отображать
максимальное значение температуры в данной точке
физического тела, которое фиксировалось при быс-
тром перемещении или изменении интенсивности
© В. В. ДОЛИНЕНКО, Е. В. ШАПОВАЛОВ, В. А. КОЛЯДА, А. В. ГНАТУШЕНКО, В. В. ЯКУША, 2012
33
источника тепла. С целью обеспечения минималь-
ного времени отклика сигнала термо-ЭДС исполь-
зовались конструкции термопар, не имеющие тер-
могильзы или другой защитной арматуры.
Для исследований подготовлены три типоразмера
термопар – хромель-алюмелевые с d = 1,0 и 0,6 мм
и вольфрамрениевые типа ВР5/ВР20 с d = 0,2 мм
(рис. 1, а). Длина выводов хромель-алюмелевых
термопар составляла 1000, вольфрамрениевых –
2000 мм. В качестве объекта измерения температу-
ры выбран расплав поваренной соли NaCl (темпе-
ратура плавления 801, кипения 1465 °С [5]). Соль
помещали в графитированный тигель и разогревали
до температуры расплава в индукционной плавиль-
ной печи с вертикальной загрузкой (рис. 1, б).
Каждый эксперимент состоял из следующих
фаз: включения электрического питания индуктора
плавильной печи и нагрев соли выше температуры
плавления (до 850… 1100 °С); отключения элект-
рического питания индуктора; опускания термопа-
ры в тигель с расплавом с одновременной регист-
рацией текущего значения напряжения термо-ЭДС;
выемки термопары и охлаждении ее в емкости с
холодной водой после достижения предельной тем-
пературы. Термопары погружались в расплав соли
на глубину около 5 мм.
Температуру измеряли в экспериментах с по-
мощью разработанного микропроцессорного контрол-
лера, структурная схема которого приведена на рис. 2.
В состав контроллера входил 32-разрядный мик-
ропроцессор LPC2378 и контроллер интерфейса
Ethernet-100Base-TX, что обес-
печило обработку сигналов тер-
мо-ЭДС в реальном масштабе
времени и выдачу показаний
температуры в ПЭВМ. Сигнал
термо-ЭДС оцифровывали с по-
мощью дополнительного анало-
гового узла, построенного на ба-
зе микросхемы 24-разрядного
сигма-дельта АЦП типа AD7794
(Analog Devices). Оцифрован-
ные данные передавались в мик-
ропроцессор через элемент высо-
кочастотной гальванической
развязки. Управляющая прог-
рамма микропроцессорного кон-
троллера пересчитывала напря-
жение термопары в температуру
по шкале Цельсия в соответствии со стандартными
градуировочными таблицами для термопар типа
ТХА и ВР5/ВР20 [6] и с учетом температуры хо-
лодного спая. Для обеспечения скоростной регист-
рации частоту настройки цифрового фильтра сигма-
дельта АЦП установили 10 Гц. Предварительные ис-
пытания разработанного контроллера показали, что
его переходная характеристика в режимах измере-
ния температуры как ТХА, так и ВР5/ВР20 тер-
мопар имеет вид ступеньки с запаздыванием в пре-
делах 100 мс. Уровень шумов измерений не превышал
2,5 – для режима измерения «ТХА» и 5 °С – для
режима измерения «ВР5/ВР20».
Временная диаграмма проведения эксперимента
показана на рис. 3.
Из рисунка видно, что к моменту начала экспери-
мента температура соли достигла 900 °С, а затем в
силу действия механизмов теплопроводности, кон-
векции и лучеиспускания по экспоненциальному за-
кону медленно снижалась с постоянной времени τfur.
Значение постоянной времени τfur экспериментально
оценено с помощью инфракрасного пирометра с ла-
зерным указателем цели типа DT-8869H, имеющего
следующие характеристики: диапазон измеряемых
температур —50…2200 °С; погрешность измерений –
не более ± 2 %; время отклика – 150 мс. Измерения
динамики остывания соли производились с интер-
валом 30 с в течение 4 мин (рис. 3, кривая 3). По
результатам измерений получена следующая зави-
симость остывания соли:
Tsolt = T0exp(—
t
τfur
),
где Tsolt и T0 – соответственно текущее и
начальное значения температуры соли, °С;
t – время, с; τfur = 500 с.
Измеренная с помощью термопары
кривая температуры имела характер им-
пульсного сигнала. Можно выделить че-
тыре фазы соответствующего временного
процесса (рис. 3): опускание термопары
Рис. 1. Условия проведения экспериментов: а – исследуемые типоразмеры термопар;
1 – типа ТХА, проволока диаметром 1,0 мм; 2 – типа ТХА, проволока диаметром
0,6 мм; 3 – типа ВР5/ВР20, проволока диаметром 0,2 мм; б – индукционная плавиль-
ная печь (вид сверху без теплоизоляционной крышки); 4 – футеровка; 5 – тигель;
6 – соль NaCl в холодном состоянии
Рис. 2. Структурная схема микропроцессорного контроллера: 1 – аналоговый
узел; 2 – цифровой узел; БП – блок питания; ГР – гальваническая раз-
вязка; ТП – термопара
34
в тигель – A-B; контакт термопары с расплавом и
ее резкое нагревание (собственно интервал измере-
ния) – B-C; выемка термопары из тигля – C-D;
охлаждение термопары в емкости с холодной водой –
D-E. Инерционные свойства термопары оценива-
лись по результатам анализа интервала B-C – на
основе разности температур ΔT:
ΔT = TC — TB,
где TB и TC – температуры, соответствующие точ-
кам B и C, °С; tB и tC – значения времени, соот-
ветствующие точкам B и C, с.
Математическое моделирование показало, что для
значений постоянной времени термопары τtp < 2 с
погрешность определения ttp в такой схеме экспе-
римента не превышает 4 %. Поэтому принималось,
что температура расплава соли при измерении тем-
пературы с помощью термопары имела постоянное
значение.
Передаточная функция инерционной термопары
соответствует интегрирующему звену первого по-
рядка [1]. Поэтому переходную функцию термопа-
ры можно записать следующим образом:
Ttp = Tmax [1 — exp (—
t
τtp
)],
где Ttp и Tmax – соответственно измеренное в момент
времени t и истинное значения температуры, °С. Под-
ставив в эту формулу t = τtp получим
T(τtp) = Tτ ≅ 0,63 Tmax,
где Tmax = ΔT.
Таким образом, значение постоянной времени
термопары τtp соответствует времени нарастания
сигнала термопары от условного нуля (температуры
TВ) до уровня 0,63 условного максимума – раз-
ности температур TC — TB).
Начальная температура соли варьировалась от
850 до 1100 °С. Для уменьшения погрешности изме-
рений одну и ту же термопару использовали в нес-
кольких экспериментах. На рис. 4 представлены на-
иболее показательные кривые переходных процессов.
С целью более точного определения температур
TC и TB показания термопар подвергались статис-
тической обработке по алгоритму скользящего сред-
него. При определении температуры Tτ использо-
валась линейная интерполяция на интервале между
соседними точками кривой термоцикла.
После обработки экспериментальных данных
получены следующие результаты измерений пос-
тоянных времени термопар:
τtp = (1,5 ± 0,1) с – для ТХА термопар, прово-
лока диаметром 1,0 мм; τtp = (1,0 ± 0,1) с – для
ТХА термопар, проволока диаметром 0,6 мм; τtp =
= (0,6 ± 0,1) с – для ТВР (ВР5/ВР20) термопар,
проволока диаметром 0,2 мм.
С практической точки зрения полученные дан-
ные можно интерпретировать следующим образом.
Если термопара имеет постоянную времени τtp, то
она может применяться для регистрации термоцик-
ла с длительностью переднего фронта не менее
4,7 τtp (погрешность измерения максимального зна-
чения температуры не более 1 %). Для приведенных
Рис. 3. Временная диаграмма проведения эксперимента: 1 –
кривая экспоненты температуры остывания соли; 2 – кривая
термоцикла измерения температуры соли с использованием тер-
мопары; 3 – экспериментальные данные, полученные с по-
мощью инфракрасного пирометра DT-8869H; A-B – интервал
времени, соответствующий опусканию термопары в расплав; B-C –
интервал времени измерения температуры расплава; C-D – ин-
тервал времени, соответствующий остыванию вынутой из соли
термопары на открытом воздухе; D-E – интервал времени, со-
ответствующий остыванию термопары в сосуде с водой
Рис. 4. Экспериментально полученные переходные характеристики термопар: а – типа ТХА, проволока диаметром 1,0 мм; б –
типа ТХА, проволока диаметром 0,6 мм; в – типа ТВР (ВР5/ВР20), проволока диаметром 0,2 мм
35
экспериментальных данных можно записать следу-
ющие ограничения на минимальную длительность
фронта термоцикла: 7,0, 4,7 и 2,8 с.
Полученные результаты исследований инер-
ционных свойств термопар позволяют обоснованно
принимать решение относительно типа и конс-
трукции термопары для регистрации термоциклов
при проведении исследований металлургических
или сварочных процессов.
Таким образом, предложенная методика экспе-
риментальной оценки инерционных свойств термо-
пар с использованием расплава поваренной соли
NaCl позволила уточнить действительные постоян-
ные времени ТХА и ТВР термопар, конструкции
которых не имеют термогильз или другой защитной
аппаратуры. Сигналы ЭДС термопар оцифровыва-
лись с частотой 10 раз/с с помощью специально
разработанного микропроцессорного контроллера,
аналоговая часть которого выполнена на базе
24-разрядного сигма-дельта АЦП типа AD7794.
1. Фрэнкс Р. Математическое моделирование в химической
технологии. – М.: Химия, 1971. – 272 с.
2. Алексеев С. В., Приймак С. В., Федик И. И. Особеннос-
ти исследования энерговыделения в большой мишени, об-
лучаемой пучком релятивистских протонов // Инж. фи-
зика. – 2000. – № 2. – С. 39—42.
3. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи / Пер. с англ. –
М.: Мир, 1983. – 512 с.
4. Рогельберг И. Л., Бейлин В. Сплавы для термопар.
Справ. изд. – М.: Металлургия, 1983. – 360 с.
5. Кухлинг Х. Справочник по физике / Пер. с нем. – М.:
Мир, 1985. – 520 с.
6. ГОСТ Украины Р 8.585—2001. Термопары. Номинальные
статические характеристики. – Введ. 21.11.2001.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Поступила 19.09.2012
http // www.vsmpo.ru
ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»
и Messier-Bugatti-Dowty договорились
о продлении действия долгосрочного соглашения на
поставку титановой продукции
Российская титановая Корпорация ВСМПО-АВИСМА и фирма «Messi-
er-Bugatti-Dowty»(Safran group) 10 июля 2012 объявили о продлении срока
существующего соглашения на поставку титановых штамповок и их обработку.
Согласно подписанному документу, ВСМПО-АВИСМА продолжит
поставлять Messier-Bugatti-Dowty и их субпоставщикам титановые штам-
повки и детали с черновой механической обработкой для обеспечения их
требований по поставке шасси для программы B787. ВСМПО будет пре-
доставлять весь пакет необходимых услуг, включая услуги логистики, и обеспечит выполнение заказов
точно в срок за счет работы широкой сети собственных дистрибьюторов, расположенных в США,
Великобритании, Германии и Китае.
«Мы рады возможности продолжить наши отношения с Messier-Bugatti-Dowty, – сказал гене-
ральный директор Корпорации ВСМПО-АВИСМА Михаил Воеводин, комментируя сделку. –
Будучи эксклюзивным поставщиком титановых деталей шасси самого ответственного применения,
мы готовы укрепить сотрудничество и обеспечить поддержку Messier-Bugatti-Dowty во время
значительного роста объемов производства по программе Boeing 787. Этот контракт очень показа-
телен для отражения наших целей, поскольку позволяет на деле продемонстрировать наши воз-
росшие технологические и сервисные возможности для обеспечения необходимой поддержки наших
заказчиков».
Messier-Bugatti-Dowty (Safran group) – мировой лидер в производстве шасси и тормозных
систем самолетов. Компания реализует полный цикл производимой продукции – от дизайна до
эксплуатационной поддержки и ремонтов. Messier-Bugatti-Dowty является партнером 33 компаний-
лидеров по строительству гражданских, военных, служебных и региональных самолетов, участвует
в более чем 22 тыс. программах, изготавливая ежедневно более 35 тыс. шасси.
36
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96630 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:00:31Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Долиненко, В.В. Шаповалов, Е.В. Коляда, В.А. Гнатушенко, А.В. Якуша, В.В. 2016-03-18T17:42:51Z 2016-03-18T17:42:51Z 2012 Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов / В.В. Долиненко, Е.В. Шаповалов, В.А. Коляда, А.В. Гнатушенко, В.В. Якуша // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 4 (109). — С. 33-36. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96630 621.791 Предложена методика и представлены результаты исследований инерционных свойств термопар, конструкции которых не имеют термогильзы. В экспериментах использовался расплав соли NaCl, который нагревался в индукционной плавильной печи. Для трех типоразмеров хромель-алюмелевых и вольфрамрениевых термопар экспериментально получены значения их постоянных времени. The method was offered and results of investigations of inertia properties of thermocouples, the design of which has no thermosleeves, were presented. In experiments the melt of NaCl salt, which was heated in induction melting furnace, was used. For three typical sizes of chromel-alumel and tungsten-rhenium thermocouples the values of their time constants were obtained. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Общие вопросы металлургии Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов Specification of inertia properties of thermocouples applied in investigations of metallurgy and welding processes Article published earlier |
| spellingShingle | Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов Долиненко, В.В. Шаповалов, Е.В. Коляда, В.А. Гнатушенко, А.В. Якуша, В.В. Общие вопросы металлургии |
| title | Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов |
| title_alt | Specification of inertia properties of thermocouples applied in investigations of metallurgy and welding processes |
| title_full | Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов |
| title_fullStr | Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов |
| title_full_unstemmed | Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов |
| title_short | Уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов |
| title_sort | уточнение инерционных свойств термопар, применяемых при исследованиях металлургических и сварочных процессов |
| topic | Общие вопросы металлургии |
| topic_facet | Общие вопросы металлургии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96630 |
| work_keys_str_mv | AT dolinenkovv utočnenieinercionnyhsvoistvtermoparprimenâemyhpriissledovaniâhmetallurgičeskihisvaročnyhprocessov AT šapovalovev utočnenieinercionnyhsvoistvtermoparprimenâemyhpriissledovaniâhmetallurgičeskihisvaročnyhprocessov AT kolâdava utočnenieinercionnyhsvoistvtermoparprimenâemyhpriissledovaniâhmetallurgičeskihisvaročnyhprocessov AT gnatušenkoav utočnenieinercionnyhsvoistvtermoparprimenâemyhpriissledovaniâhmetallurgičeskihisvaročnyhprocessov AT âkušavv utočnenieinercionnyhsvoistvtermoparprimenâemyhpriissledovaniâhmetallurgičeskihisvaročnyhprocessov AT dolinenkovv specificationofinertiapropertiesofthermocouplesappliedininvestigationsofmetallurgyandweldingprocesses AT šapovalovev specificationofinertiapropertiesofthermocouplesappliedininvestigationsofmetallurgyandweldingprocesses AT kolâdava specificationofinertiapropertiesofthermocouplesappliedininvestigationsofmetallurgyandweldingprocesses AT gnatušenkoav specificationofinertiapropertiesofthermocouplesappliedininvestigationsofmetallurgyandweldingprocesses AT âkušavv specificationofinertiapropertiesofthermocouplesappliedininvestigationsofmetallurgyandweldingprocesses |