Електричний нагрівальний елемент

1. Пристрій для вимірювання рівня рідини у резервуарі, який містить - множину термоелементів, - нагрівальний елемент з електричним провідником, причому електричний провідник має принаймні один утворюючий нагрівальну зону перший провідний відрізок і утворюючий холодну зону другий провідний відрізок, причому перший провідний відрізок має значно вищий питомий опір, ніж другий провідний відрізок, і причому температурна залежність питомого опору в другому провідному відрізку значно більша, ніж у першому провідному відрізку, - засоби для вимірювання загального опору електричного провідника - і засоби, здатні за виміряним значенням загального опору визначати температуру оточення другого провідного відрізка. C2 2 UA 1 3 пристрої використовують зокрема у корпусі реактора, охолоджуваного водою під тиском, для контролю рівня охолоджувальної рідини, що циркулює у первинному контурі над тепловиділяючими елементами. Принцип вимірювання використовує різні характеристики теплопередачі, що виникають - з одного боку - при передачі тепла від нагрівального елемента до охолоджувального засобу, що його оточує, і - з іншого боку - до газо- чи пароподібного середовища. Доки нагрівальний елемент оточений рідким охолоджувальним засобом, вироблене ним тепло швидко відводиться, завдяки чому у його безпосередньому оточенні температура лише незначною мірою вища, ніж температура оточення, яка установилася б без нагрівання. Якщо під час нормальної роботи реактора або у разі аварії складеться ситуація, що зумовлено виробничими умовами або внаслідок втрати тиску у первинному контурі рівень рідини у корпусі реактора знижується нижче положення нагрівального елемента, його оточуватиме пара охолоджувального засобу, яка має значно гірші властивості теплопередачі. В результаті температура в оточенні нагрівального елемента зростає, що може бути виявлено термометром або термодатчиком, розміщеним поруч із нагрівальним елементом. Завдяки їх надійній і жорсткій конструкції як термодатчики використовуються, як правило, термоелементи, які формують термонапругу, в основному пропорційну температурі. Зазвичай множину підігріваних термоелементів розміщують на однаковій відстані один від іншого на стрижне- чи трубоподібному носії або на видовженій вимірювальній трубі, яку вставляють у рідину, рівень якої підлягає контролю, і всередині якої прокладають живильні і сигнальні провідники, необхідні для підведення живлення до нагрівальних елементів і для передачі сигналів до зовнішнього блоку обробки. Таким чином, розміщення датчиків на різних рівнях висоти уможливлює здійснення цифрової, дискретної у просторі індикації рівня рідини у резервуарі, причому розрізняльна здатність залежить від кількості термодатчиків на контрольованому відрізку висоти. Вимірювальний пристрій цього типу відомий із публікації RU 2153712 С1. Поряд із діючими як первинні датчики сигналів підігріваними термоелементами всередині вимірювальної труби встановлені також не підігрівані термоелементи, кожен з яких формує відповідний первинному сигналу опорний сигнал. Таким чином при оцінці інформації про температуру і визначеного на її основі рівня рідини можна враховувати також часові варіації температури рідини і оточення. Без такого технічного рішення, наприклад зростання чи зниження температури рідини помилково могли б бути прийняті за зміну рівня рідини або дійсні зміни рівня рідини могли б бути "приховані" одночасними змінами температури рідини. Якомога вища точність вимірювання рівня рідини залежить від точності вимірювання термоелементів, але також і від відтворюваності температури, створюваної нагрівальними елементами. Відомі нагрівальні елементи не мають зазвичай 96386 4 точної лінійної залежності між нагрівальним струмом і створюваною температурою, зокрема по всій довжині нагрівального елемента. В основі винаходу лежить задача створення нагрівального елемента, що має якомога більш точно визначувані властивості і якомога більш точну відтворюваність конструктивно заданих параметрів. Згідно з винаходом ця задача вирішена у стрижнеподібному електричному нагрівальному елементі, що має електропровідну оболонку і вкладений у ній електричний провідник, що має принаймні два провідні відрізки з різними електричними властивостями і/або теплопровідними властивостями. Принаймні один електричний провідник перебуває у тепловому контакті з оболонкою, переважно на кінці стрижнеподібного нагрівального елемента, для забезпечення доброї теплопередачі між провідником, навантажуваним нагрівальним струмом, і оболонкою. Цей нагрівальний елемент може бути використаний зокрема у пристрої для вимірювання рівня рідини у резервуарі, зокрема у корпусі реактора ядерної установки. Принаймні два металеві провідні відрізки з різними електричними і/або тепловими властивостями уможливлюють точне визначення теплових і електричних властивостей і зокрема точне керування тепловим потоком, передаваним на пов'язані з нагрівальним елементом термоелементи, в залежності від навколишньої температури, зокрема від температури охолоджувального засобу. Переважне виконання винаходу передбачає, що принаймні два провідні відрізки з різною теплопровідністю безпосередньо межують один з іншим або послідовно з'єднані. Таким чином може бути забезпечена точна локалізація місця вимірювання чи місця з'єднання між нагрівальним елементом і пов'язаним з ним термоелементом. В залежності від виду провідного відрізка і його віддаленості від іншого провідного відрізка з іншими властивостями може бути вибране місце з'єднання, яке забезпечить бажану точність вимірювання. Відмінні теплові і/або електричні властивості різновидних провідних відрізків нагрівального елемента можуть бути досягнуті зокрема шляхом виконання принаймні двох різних провідних відрізків із металів з різним складом. Так, перший провідний відрізок нагрівального елемента може бути виготовлений із металу зі зниженою теплопровідністю. Цей перший провідний відрізок утворює так звану "холодну частину" нагрівального елемента. Для досягнення бажаних властивостей першого провідного відрізка придатний, наприклад, нікель або нікелевий сплав з переважним вмістом нікелю. Таким чином ця так звана холодна частина нагрівального елемента може відображати порівняно великий вимірювальний діапазон зі значними змінами сигналу. При використанні нікелю для виготовлення першого провідного відрізка з його порівняно вираженою залежністю електричного опору від температури значення опору може становити при температурі 30 °C близько 10 Ом, а при температурі 360 °C - близько 50 Ом. Оскільки ці зміни опору мають приблизно лінійний характер, можуть бути реалізовані точно відтворювані виміряні зна 5 чення в залежності від температури охолоджуючого засобу чи оточуючого середовища. Принаймні один другий провідний відрізок, так звана "гаряча частина" нагрівального елемента, виконана переважно із металу з високою теплопровідністю. Для цього придатний зокрема такий металевий матеріал, як ніхром (NiCr). Може бути передбачений лише один такий другий провідний відрізок. Одначе в нагрівальному елементі може бути передбачено також і кілька "гарячих частин", виконаних, наприклад, із ніхрому. Вибраний матеріал має забезпечувати якомога вищий тепловий струм, тобто мати якомога вищий електричний опір. Для уникнення впливу температури "гарячої частини" нагрівального елемента на залежність опору нагрівального елемента від температури матеріал принаймні одного другого провідного відрізка повинен мати якомога меншу залежність опору від температури. Цю бажану властивість має ніхром. Крім того, нагрівальний елемент може мати металеву зовнішню оболонку, зокрема оболонку із високоякісної сталі. Вона забезпечує захист нагрівального елемента від впливу оточуючого середовища і тривалий термін служби. Всередині цієї зовнішньої оболонки нагрівальний елемент може бути вбудований в ізоляторі. Для виготовлення ізолятора придатні мінеральні матеріали, такі як оксид магнію (MgO). При застосуванні відповідного винаходові нагрівального елемента в індикаторі рівня рідини верхню частину нагрівального елемента розміщують у верхній зоні охолоджувальної води. Таким чином за допомогою цього верхнього відрізка нагрівального елемента може бути перекритий порівняно більший аксіальний градієнт температури. Для уникнення неточності вимірювання при реєстрації температури охолоджувальної води цей відрізок нагрівального елемента виконано із матеріалу, опір якого лише незначною мірою залежить від температури. До того ж, цей відрізок нагрівального елемента може мати більший діаметр, завдяки чому можливе ще точніше встановлення лінійного характеру зміни опору нагрівального елемента, оскільки внесок верхнього відрізку у загальну зміну опору зменшений. Крім того, цей винахід стосується пристрою для вимірювання рівня рідини у резервуарі, зокрема у корпусі реактора ядерної установки, який містить множину видовжених відокремлених одна від іншої вимірювальних трубок, причому у кожній трубці встановлено множину розподілених у поздовжньому напрямку термоелементів, і причому принаймні один термоелемент оснащений нагрівальним елементом у одній із описаних вище форм виконання. Таким чином, винахід стосується також ядерної установки з таким пристроєм для контролю рівня наповнення рідини, яка містить принаймні один нагрівальний елемент за одним із описаних вище варіантів виконання. Самозрозуміло, що нагрівальний елемент може знайти застосування і в інших областях, де потрібна точність виміряних даних. Таким чином, згідно з винаходом реалізовано нагрівальний елемент, струмопровідна частина ("нагрівальний провідник") якого має принаймні дві 96386 6 різні зони, а саме "гарячу" нагрівальну зону з порівняно високою нагрівальною потужністю, завдяки чому під час експлуатації у цій зоні для цілей вимірювання здійснюється локальна передача тепла до навколишнього охолоджувального засобу, і відокремлену у просторі від нагрівальної зони, холоднішу порівняно з нею зону з незначною потужністю нагрівання, яка завдяки тепловому контакту з оточуючим охолоджуючим засобом в основному сприймає його температуру. Завдяки відокремленню у просторі "гарячої" зони і "холодної" зони температура охолоджувального засобу поблизу "холодної" зони більше не зазнає впливу локального нагрівання в "гарячій" зоні і її значення не спотворюється. Завдяки локальному нагріванню і розміщенню поблизу нагрівальної зони датчика температури, зокрема термоелемента, можна із використанням вимірювальної техніки зробити висновок про якість теплопередачі від нагрівального елемента до оточуючого його охолоджувального засобу і таким чином - про агрегатний стан охолоджувального засобу (рідкий чи газоподібний) у цій зоні. Нагрівальна зона разом із розміщеним поблизу неї термоелементом утворює свого роду зонд для вимірювання теплопередачі і, таким чином для вимірювання рівня наповнення рідини. За допомогою такого зонду можна визначити, вище чи нижче нагрівальної зони розміщене дзеркало рідини. У нагрівальній зоні нагрівальний провідник виготовлений переважно із матеріалу з порівняно високим питомим (електричним) опором і порівняно слабкою температурною залежністю питомого опору, наприклад із ніхрому (NiCr). Таким чином загальний опір нагрівального відрізка провідника, що утворює "гарячу" зону, значною мірою не залежить від поточного значення температури матеріалу, що встановилася внаслідок нагрівання. На противагу цьому провід чи провідник у "холодній" зоні виконаний із матеріалу з порівняно значною, переважно лінійною, залежністю питомого опору від температури, яка у цій зоні - як було сказано вище - визначається в основному оточуючою температурою, тобто температурою оточуючого охолоджуючого засобу. Придатним матеріалом є, наприклад нікель (Ni). Завдяки цьому температурна залежність загального опору нагрівального провідника, що складається із опорів послідовно з'єднаних "гарячої частини" і "холодної частини", визначається виключно температурною залежністю "гарячої частини". В ідеалі завдяки цій конструкції загальний опір нагрівального провідника лінійно зростає з ростом температури охолоджувального засобу, що оточує пристрій, а саме незалежно від локальних нагрівальних процесів, що відбуваються у нагрівальній зоні, які там - локально обмежено - в залежності від обставин ведуть до відмінних і змінних у часі температур. Цей загальний опір, який технічно просто вимірюється, є придатним параметром для визначення загальної температури охолоджувального засобу. Наприклад, можна один раз зняти калібрувальну характеристику температура-опір і потім використовувати її для визначення дійсного значення температури охолоджувального засобу з 7 використанням поточного виміряного значення опору. Таким чином за певних обставин від окремого датчика для визначення температури охолоджувального засобу можна відмовитися або можна здійснювати надлишкове до такого вимірювального датчика температури вимірювання за диференціальним принципом. На основі таких виміряних даних температури охолоджувального засобу може бути здійснене залежне від температури регулювання нагрівального струму для нагрівального елемента з метою компенсації небажаних вторинних ефектів залежного від температури коефіцієнта теплопередачі від нагрівальної зони нагрівального елемента до охолоджувального засобу. Поряд із уже названими "гарячою" частиною і "теплочутливою" "холодною" частиною електричний провідник нагрівального елемента може містити також інші відрізки, які виконані із матеріалу з якомога меншою температурною залежністю питомого опору і/або які завдяки великому поперечному перерізу роблять незначний вклад у загальний опір провідника і таким чином у вказаному вище смислі не є температурно чутливими. Таким чином, суттєвий для вимірювання температури провідний відрізок, називаний зоною вимірювання температури, і його просторове положення всередині усієї конструкції може бути точно заданий шляхом відповідного позиціонування переходів між матеріалами. Нижче приклад виконання винаходу детальніше пояснюється з використанням фігур. На них схематично зображено: фіг. 1. Відповідний винаходові нагрівальний елемент, фіг. 2. Поздовжній переріз першого варіанту нагрівального елемента, фіг. 3. Поздовжній переріз другого варіанту нагрівального елемента. На фіг. 1 зображений приклад виконання стрижнеподібного електричного нагрівального елемента 10, який у видовженій нижній частині 12 має сталий діаметр, менший, ніж також сталий діаметр верхньої частини 14. Верхня частина 14 нагрівального елемента 10 може мати діаметр, наприклад, близько 2 мм, а нижня частина може мати діаметр близько 1 мм і довжину близько 500 мм. Довжина верхньої частини може варіюватися в залежності від цілей застосування і варіанта виконання нагрівального елемента 10. Більший діаметр верхньої частини 14 уможливлює кращу встановлюваність параметрів нагрівального елемента 10, оскільки таким чином зменшується вклад верхньої частини 14 у загальну зміну опору, що буде пояснено детальніше нижче з використанням наступних фігур. На фігурах 2 і 3 зображено поздовжні перерізи першого і другого варіантів виконання нагрівального елемента 10. Всередині металевої оболонки 16, відкритої зверху і закритої знизу, завдяки чому вона загалом має форму видовженого порожнистого конструктивного елемента, вкладено Uподібний провідник 18, причому проміжки заповнені ізолятором 20 із оксиду магнію. У нижній частині 12 нагрівального елемента 10 існує теплопровід 96386 8 ний контакт між провідником 18 і оболонкою 16. Оболонка 16 може бути виготовлена зокрема із високоякісної сталі (наприклад, 1.4306, 1.4435 або 2.4816), а провідник 18 виконаний із різних провідних відрізків, виготовлених із різних металів. Перший провідний відрізок 22 провідника 18 виготовлений із металу з порівняно низькою теплопровідністю. Для цього придатний зокрема нікель або нікелевий сплав. Внаслідок меншої теплопровідності цей перший провідний відрізок 22 провідника 18 може бути названий також "холодною частиною" нагрівального елемента 10. Другий провідний відрізок 24 провідника виготовлений із металу з високою теплопровідністю; для цього придатний зокрема ніхром. Цей другий провідний відрізок 24 провідника утворює власне нагрівальну зону нагрівального елемента. На підставі високої теплопровідності цей другий провідний відрізок 24 провідника може бути названий "гарячою частиною" нагрівального елемента 10. Як перший провідний відрізок 22, так і другий провідний відрізок 24 розміщені в нижній частині 12 нагрівального елемента 10 з меншим діаметром. У верхній частині 14 з більшим діаметром розміщений третій провідний відрізок 26, який може бути виконаний, наприклад, із міді. Обидві форми виконання згідно з фігурами 2 і 3 відрізняються розміщенням другого провідного відрізка 24 провідника на різній висоті. Тоді як у першому варіанті згідно з фіг. 2 утворюючий власне нагрівальну зону другий провідний відрізок 24 провідника розміщений на нижньому кінці нижньої частини 12 і сягає нижнього торця оболонки 16, у другому варіанті згідно з фіг. 3 провідний відрізок 24 і, тим самим, нагрівальна зона розміщена у середній зоні нижньої частини 12. Нижня зона нижньої частини 12 утворена відрізком провідника першого типу із нікелю або нікелевого сплаву. Цей перший провідний відрізок 22 провідника сягає нижнього торця оболонки 16. Над другим провідним відрізком 24 із ніхрому розміщений наступний провідний відрізок 22 першого типу із нікелю. Довжина нагрівальної зони чи другого провідного відрізку 24 може становити, наприклад 50 мм. Із фігур 2 і 3 видно, що переходи між різними металами різних провідних відрізків 22, 24, 26 не мають розривів чи уступів. З'єднання можуть бути виконані шляхом зварювання чи паяння. Для досягнення якомога більш точної повторюваності електричних і теплових параметрів важливо, щоб обидва плеча U-подібного провідника 18 були виконані якомога більш симетричними, тобто щоб перший і другий провідні відрізки 22 і 24 у кожному плечі мали однакову довжину і були розміщені на однаковій висоті. Позиційні позначення 10 Нагрівальний елемент 12 Нижня частина 14 Верхня частина 16 Металева оболонка 18 U-подібний провідник 20 Ізолятор 22 Перший провідний відрізок 24 Другий провідний відрізок 26 Третій провідний відрізок 9 96386 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 96386 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601