В статье представлены решения компании ООО «Обнинская термоэлектрическая компания» для измерения экстремально высоких температур: высокотемпературные термопреобразователи на основе вольфрамрениевых термопар, системы мониторинга температуры в промышленных печах, термозонд для кратковременных замеров температуры расплавов металлов и солей, специальный теплозащитный контейнер. Также представлено новое запатентованное изобретение: устройство для калибровки высокотемпературных термопар.
ООО «Обнинская термоэлектрическая компания», г. Обнинск
*Автор статьи – А. А. Улановский, к. т. н., директор ООО «ОТК»
Термоэлектрический эффект Зеебека – возникновение разности потенциалов между горячим и холодным концами двух разнородных металлов, соединенных между собой на горячей стороне, – известен уже 200 лет. Величина возникающего напряжения пропорциональна разности температур между горячим и холодным спаями датчика-термопары. С середины XIX века их начали активно применять в термометрии для измерения температуры контактным методом. На сегодняшний день это наиболее простой и надежный способ измерения в самом широком диапазоне: от криогенной температуры кипения жидкого кислорода (–183 °C) до температуры газовых потоков ракетного двигателя (2500 °C).
ООО «Обнинская термоэлектрическая компания» (ООО «ОТК») является единственным предприятием в России, которое производит средства измерения температуры в диапазоне от –196 до 2200 °C и может обеспечить их метрологическую аттестацию. Компания специализируется в области высокотемпературной термометрии, производит датчики температуры для агрессивных жидких и газообразных сред, расплавов металлов, солей и стекла.
Типы выпускаемых термопреобразователей соответствуют межгосударственному стандарту ГОСТ 6616-94, российскому ГОСТ Р 8.585-2001 и международному стандарту МЭК 60584-1:2013 (рис. 1). Две конструкции защищены патентами РФ на изобретение.
Рис. 1. Термопреобразователи производства ООО «ОТК»
Термозонд для кратковременных замеров температуры расплавов металлов и солей (рис. 2) является запатентованной разработкой ООО «ОТК». Он полностью автономен, но может запоминать измеренные значения температуры во внутренней памяти вторичного прибора.
Рис. 2. Термозонды для кратковременных измерений температуры расплавов металлов и солей
Чувствительным элементом термозонда могут служить вольфрамрениевая или хромель-алюмелевая термопара, а также термопары из драгоценных металлов. Имеются стандартное (с защитным чехлом чувствительного элемента) и малоинерционное исполнения (с открытым рабочим спаем термопары или кабельной термопарой – для расплавов цветных металлов).
ООО «ОТК» занимается решением специальных задач термометрии, включая оптимизацию технологических процессов промышленных печей на основе высокоточных автономных систем мониторинга температуры, определяющих поле температур внутри печи или в изделии в реальном времени процесса термообработки. Компания является единственным в России поставщиком самых передовых высокотемпературных систем мониторинга температуры для процессов нагрева и термообработки металла, керамики, стройматериалов, а также лакокрасочных покрытий и пищевых продуктов. Первичные датчики и отдельные теплозащитные контейнеры для систем мониторинга ООО «ОТК» производит самостоятельно.
Система мониторинга температуры (рис. 3 и 4) представляет собой автономное регистрирующее устройство в теплозащитном контейнере, к которому подключено до 20 термопар, размещенных в объеме печи или на изделии. Система предназначена для получения информации о поле температур в печи или в изделиях, проходящих через туннельную печь, а также помещенных в камерную печь.
Рис. 3. Системы мониторинга температуры
Рис. 4. Система мониторинга температуры после выхода из печи
Преимущества использования системы мониторинга температуры:
- точная информация о температуре материала позволяет задать оптимальные условия работы нагревательной печи и оптимизировать длительность процесса;
- реализована возможность определять неравномерность нагрева изделия, которая вызывает термические напряжения, неравномерную структуру материала и может стать причиной брака;
- система гарантирует, что изделия обрабатываются в соответствии с технологией нагрева или термообработки (в течение заданного времени при заданной температуре);
- использование системы мониторинга при отжиге и термообработке позволяет провести контроль всех фаз термообработки, включая закалку в воде или масле;
- горячие и холодные места в печи определяются достаточно быстро – до того, как они становятся причиной проблем;
- снижаются объем брака, энергетические затраты, затраты на ремонт, экономится топливо;
- программное обеспечение позволяет документировать процессы нагрева и термообработки по требованиям стандартов ISO 9000, а также аттестовать печь по аэрокосмическому стандарту AMS 2750 или стандарту автопрома CQI-9.
Основа системы – электронный регистратор температуры, который имеет до 20 каналов для подключения высокотемпературных термопарных датчиков. Регистратор защищен от воздействия высокой температуры специальным теплозащитным контейнером, который позволяет регистратору находиться в печи до 9 часов при температуре 1300 °C или до 150 часов при температуре 250 °C. Регистратор помещается в печь вместе с изделием и регистрирует в реальном времени температурный профиль в объеме камерной печи или регистрирует профиль температуры по всей длине проходной печи по каждому каналу по мере прохождения через печь. Системы мониторинга разработаны для всех областей применения с диапазоном температур от –100 до 1500 °C.
Термопреобразователи и системы мониторинга поставляются на крупнейшие предприятия металлургического и машиностроительного комплексов РФ, а также в Казахстан, Узбекистан, Беларусь, Киргизию. Имеются заказчики в Германии и США.
Высокотемпературные термопреобразователи на основе вольфрамрениевых термопар являются уникальным торговым предложением предприятия на российском рынке средств измерений температуры. Их серийное производство в РФ было фактически восстановлено компанией в 2003–2008 годы. Данный проект был реализован при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Москва, ныне Фонд содействия инновациям), а также Министерства экономического развития Калужской области. Без такой поддержки само развитие предприятия было бы невозможно. За 20 лет работы компании ее проекты поддерживались Фондом и областным Агентством инновационного развития пять раз. И все они так или иначе связаны с высокотемпературной термометрией.
Самый большой грант Фонда содействия инновациям был выигран по конкурсу в 2018 году на проект по разработке датчиков на основе вольфрамрениевых термопар с диапазоном рабочих температур от 1700 до 2500 °C, а также их метрологического обеспечения. 20 млн руб. из государственного бюджета и 6 млн руб. из бюджета компании были потрачены не зря. Создано опытное производство датчиков температуры для ультравысоких температур. Совместно со специалистами ВНИИ оптико-физических измерений разработана и смонтирована на предприятии установка для калибровки вольфрамрениевых термопар в диапазоне температур от 1700 до 2200 °C. Верхний предел рабочего диапазона ограничен только работоспособностью керамических изоляторов термопар, которые становятся проводниками при высокой температуре. Данная установка – это единственное в России на сегодняшний день средство калибровки вольфрамрениевых термопар в серийном производстве.
В течение трех месяцев после регистрации заявки Роспатент РФ принял положительное решение о выдаче патента на изобретение ООО «ОТК» «Устройство для калибровки высокотемпературных термопар» (диапазон температур 1200–2200 °C). Авторы изобретения – сотрудники предприятия. Изобретение используется в составе установки для калибровки, которая была аттестована специалистами ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева (г. Санкт-Петербург) с помощью эталонного пирометра излучения первого разряда. Установка воспроизводит заданные значения температуры с высокой точностью и имеет максимальное отклонение 3,5 градуса от показаний эталонного пирометра в точке 2200 °C при допустимых 5,5 °C.
Установка характеризуется относительной простотой обслуживания и эксплуатации, небольшой электрической мощностью по сравнению с вакуумными установками и эталонными моделями абсолютно черных тел. Допускается одновременная калибровка до 10 термопар. Стоимость калибровки в расчете на одну термопару в несколько раз меньше, чем при использовании вакуумных установок. Конструкция высокотемпературной печи установки допускает использование в рабочем пространстве реперных точек плавления карбидов металлов: Rh-C (1657 °C), Pt-C (1738 °C), Cr3C2-C (1811 °C), Ru-C (1953 °C), Ir-C (2290 °C), а также Re-C (2474 °C) – последнего достижения в области мировой высокотемпературной метрологии. Калибровка одиночной термопары может быть проведена с погрешностью, не превышающей одного-двух градусов в рабочем диапазоне температур.
Метрологическая лаборатория ООО «ОТК» аттестована в Российской системе калибровки (реестр № 001473) на право калибровки термопреобразователей всех типов по ГОСТ 6616-94 и цифровых вторичных приборов для измерения и регулирования температуры. Для любого термопреобразователя может быть получена индивидуальная статическая характеристика в рабочем диапазоне температур или в диапазоне, указанном потребителем, выписан сертификат о калибровке. Калибровка проводится с использованием программы автоматической калибровки термопреобразователей (ПАКТ), зарегистрированной в государственном реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2016614991 от 12.05.2016).
Внешний вид установки для калибровки высокотемпературных приборов и ее аттестат № 2411/0042-2020 от 13.01.2020 приведены на рис. 5.
Рис. 5. Установка для калибровки высокотемпературных термопар (УКТ-2200)
На предприятии действует система менеджмента качества, сертифицированная в системе «Русский регистр» и международной сети IQNet по стандарту ISO 9001:2015. С 2016 года офис и производство располагаются в новом здании в зоне инновационного развития города Обнинска.
Продукция «ОТК» нужна всем, у кого производство связано с высокими температурами. Девиз компании «Чем выше температура, тем ближе мы к вам» как нельзя лучше подходит нашим партнерам – предприятиям аэрокосмического комплекса, металлургии, машиностроения, композиционных материалов.
Заказы поступают от предприятий Росатома: ОКБ «Гидропресс» в Подольске, комбината «Маяк» в Челябинской области, института энерготехники НИКИЭТ в Москве, НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, ВНИИТФ им. академика Е. А. Забабахина, НИТИ им. А. П. Александрова, НИКИМТ, Чепецкого механического завода, ПО «Север» и многих других. Высокотемпературные датчики заказывают также ведущие авиационные предприятия Объединенной двигателестроительной корпорации: Казанское и Уфимское моторостроительные объединения, ПК «Салют» (Москва), «ОДК-Пермские моторы», «ОДК-ОМО» (Омск), «ОДК-Климов», «ОДК-Сатурн», АО «Рыбинские моторы» и Авиационная корпорация «Рубин». Вольфрамрениевые термопары производства ООО «ОТК» работают на стартовом комплексе космодрома «Восточный». Установлены долговременные отношения с ЦЭНКИ (Центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры).
В планах компании – занять лидирующие позиции в России в области производства высокотемпературных датчиков температуры, используя на практике результаты научных исследований. Также в перспективе – создание Центра по исследованиям в области высокотемпературной термометрии. Аналогов такому центру нет. Реализация планов возможна в рамках федерального проекта «Инновационный научно-технологический центр (ИНТЦ) МГУ «Воробьевы горы» при содействии Агентства инновационного развития Калужской области.
Создание центра высокотемпературных измерений позволит вернуть ведущие позиции РФ в данной области. Надежные измерения температуры в диапазоне 1700–2500 °C позволяют решить множество задач в сфере ядерной безопасности, а также задач, стоящих перед разработчиками новой авиационной и ракетно-космической техники. Контроль экстремальных температур важен и для наземной инфраструктуры запуска ракет и космических аппаратов, испытаний ракетных и авиационных двигателей. Обнинская термоэлектрическая компания уверенно смотрит в будущее и готова участвовать в решении самых сложных задач высокотемпературной термометрии.
Опубликовано_в журнале ИСУП № 2(104)_2023
А. А. Улановский, к. т. н., директор,
ООО «Обнинская термоэлектрическая
компания», г. Обнинск,
тел.: +7 (484) 397-9915,
e-mail: otc@otc-obninsk.ru,
сайт: otc-obninsk.ru
_big.jpg'); "6(114)_small.jpg")