Пристрій для вимірювання температури рідких та газоподібних середовищ

Реферат: Пристрій для вимірювання температури рідких та газоподібних середовищ, який включає в себе роз'єм та занурюваний змінний пакет з термоелектричним термометром, контактами та вогнестійкою захисною арматурою, причому розміщений у виконаному з термостійкого оптично прозорого і/або з високою тепло- й температуропровідністю матеріалу й заглибленому в корпусі на 1,5-2,5 зовнішнього діаметра захисному наконечнику робочий спай (скрутка), віддалений від торця виконаної з кераміки з низькою тепло- й температуропровідністю електроізолюючої трубки на відстань 10-50 діаметрів термоелектродів термоелектричного термометра, які мають мінімально можливий з урахуванням технології виготовлення й термоелектричної неоднорідності діаметр й виконані з матеріалу з мінімальною тепло- й температуропровідністю. Виступаюча з електроізолюючої трубки частина термоелектричного термометра з неокиснюваними термоелектродами оснащена покриттям з високою випромінювальною здатністю й робочою температурою, яка рівна або перевищує температуру контрольованого середовища, а в випадку окиснюваних виконана із попередньо окиснених термоелектродів, при цьому корпус виконано з пористої вогнестійкої литої маси з волокнистим наповнювачем, а з'єднання ізотермічно розміщених в корпусі штирових контактів пакета з термоелектродами термометра оснащені герметичним вологостійким при робочих температурах клейовим покриттям, причому штирові контакти змінного пакета й матриці штирового роз'єму виконані з металевого сплаву з високою електропровідністю й границею пружності, а їх з'єднання з компенсаційними (подовжувальними) проводами також оснащені захисним клейовим покриттям. UA 95334 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ РІДКИХ ТА ГАЗОПОДІБНИХ СЕРЕДОВИЩ UA 95334 U UA 95334 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується термометрії рідких та газоподібних середовищ і може бути використаний для періодичних контактних вимірювань температури розплавів у металургійному, ливарному й інших виробництвах. Основними елементами пристроїв для вимірювання температури рідких та газоподібних середовищ методом занурення є термоелектричні змінні пакети та роз'єми, через котрі електричний сигнал термоелектричного термометра передається на вимірювальний прилад. Відомий пристрій для вимірювання температури рідкого металу (патент НДР № 218456, МПК G01К13/12). Запропонований пристрій складається з U-подібної кварцової захисної трубки, в котрій розміщено термоелектричний вимірювальний перетворювач, пластмасові вставки з цапфами, керамічної та картонної гільз. U-подібна трубка фіксується в певному положенні всередині пластмасової вставки за допомогою спеціального кріплення та вогнетривкої маси, яка заливається в картонну гільзу. Всього такий змінний пакет складається з 13 різноманітних елементів. В ньому електричні контактні з'єднання двох кінців проводів термопари рознесено вздовж бокової циліндричної поверхні пакета. Це автоматично робить їх неізотермічними в процесі вимірювання у зв'язку з появою градієнта температури уздовж бокової поверхні пакета. Це вносить додаткову похибку вимірювання. Наявність 13 складових елементів в конструкції пакета суттєво ускладнює його виготовлення, підвищує його собівартість та знижує надійність пристрою. Наявність пластмасових деталей в конструкції пакета, як було згадано вище, може призводити до руйнування роз'єму, заміна котрого не передбачається правилами експлуатації пристроїв такого типу. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі, що заявляється, є пристрій для вимірювання температур розплавів (патент України № 14740, МПК G01К13/12, G01K7/02. Устройство для измерения температур расплавов /Л.Ф. Жуков, И.А. Коновалов, М.И. Смирнов. Опубл. 30.06.1997, Бюл. № 3, 1997). Пристрій призначений для вимірювання температур розплавів в металургійному, ливарному й інших виробництвах методом занурення. Пропонований пристрій складається з роз'єму та змінного занурюваного пакета з термоелектричним термометром, контактами та вогнестійкою захисною арматурою. Змінний пакет містить герметично ущільнений в цільному, литому з вогнестійкої маси корпусі вогнестійкий захисний наконечник, всередині котрого вміщена електроізолююча трубка й термоелектроди з ізотермічно розміщеними контактами; причому розміщена в корпусі пакета частина штирових контактів має заглиблення велике та мале, які виходять до поверхні торця корпуса та з'єднані з термоелектродами вигини, а штирі контактів введені в розміщені під кутом матриці відповідної частини роз'єму. При цьому компенсаційні проводи зачеканені у фланці матриць, а корпус відповідної частини роз'єму виконаний у вигляді двох тонкостінних металевих труб, кільцевий проміжок між котрими заповнений вогнестійким матеріалом з низькою тепло- та температуропровідністю (каолінова вата). При використанні термоелектродів з окиснюваних неблагородних металів вогнестійкий захисний наконечник заповнюється вогнестійкою масою та матеріалом з розвиненою поверхнею, який інтенсивно окиснюється при високих температурах (наприклад, титанова губка ТiO2). Загальними суттєвими ознаками прототипу та заявлюваного пристрою є те, що вони містять роз'єм та змінний занурюваний пакет з термоелектричним термометром, контактами й вогнестійкою захисною арматурою. Основний недолік прототипу полягає в його відносно низькій швидкодії, яка визначається часом встановлення термодинамічної рівноваги між робочим спаєм (скруткою) та середовищем, в яке вміщується змінний пакет для вимірювань температури. Це призводить до збільшення часу одного вимірювання та зменшення загальної кількості занурень, тобто вимірювань. Оксид титану, котрим заповнено внутрішній простір кварцового наконечника, також знижує швидкодію пристрою, хоча й подовжує термін служби термоелектродів, уповільнюючи процес їх окиснення. Крім того, недостатня міцність виконаного із вогнестійкої маси корпуса змінного пакета інколи призводить до його руйнування при встановленні пакета в роз'єм чи в процесі вимірювань. Через високу теплопровідність матеріалу корпуса додатково нагріваються з'єднання термоелектродів зі штировими контактами та відповідно зростає похибка термоелектричних вимірювань температури. Незахищені від впливу зовнішнього середовища дані з'єднання не забезпечують необхідні електричні параметри термоелектричного вимірювального кола. Мідні штирові контакти пакета й матриці роз'єму через низьку границю пружності матеріалу не забезпечують їх надійне, потрібне для реальних умов вимірювання, механічне та електричне з'єднання. При розробці даної корисної моделі поставлена задача удосконалення пристрою для вимірювання температури рідких та газоподібних середовищ шляхом використання нових матеріалів та удосконалення конструкції його елементів. В результаті реалізації пропонованої 1 UA 95334 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 корисної моделі підвищується швидкодія пристрою, кількість, точність та надійність вимірювань температури. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для вимірювання температури рідких та газоподібних середовищ, який включає в себе роз'єм та занурюваний змінний пакет з термоелектричним термометром, контактами та вогнестійкою захисною арматурою, згідно з корисною моделлю, розміщений у виконаному з термостійкого оптично прозорого і/або з високою тепло- й температуропровідністю матеріалу й заглибленому в корпусі на 1,5-2,5 зовнішнього діаметра захисному наконечнику робочий спай (скрутка), віддалений від торця виконаної з кераміки з низькою тепло- й температуропровідністю електроізолюючої трубки на відстань 10-50 діаметрів термоелектродів термоелектричного термометра, які мають мінімально можливий з урахуванням технології виготовлення й термоелектричної неоднорідності діаметр й виконані з матеріалу з мінімальною тепло- й температуропровідністю, причому виступаюча з електроізолюючої трубки частина термоелектричного термометра з неокиснюваними термоелектродами оснащена покриттям з високою випромінювальною здатністю й робочою температурою, яка рівна або перевищує температуру контрольованого середовища, а в випадку окиснюваних виконана із попередньо окиснених термоелектродів, при цьому корпус виконано з пористої вогнестійкої литої маси з волокнистим наповнювачем, а з'єднання ізотермічно розміщених в корпусі штирових контактів пакета з термоелектродами термометра оснащені герметичним вологостійким при робочих температурах клейовим покриттям, причому штирові контакти змінного пакета й матриці штирового роз'єму виконані з металевого сплаву з високою електропровідністю й границею пружності, а їх з'єднання з компенсаційними (подовжувальними) проводами також оснащені захисним клейовим покриттям. На кресленні зображено загальний вигляд змінного занурюваного пакета й роз'єму, виконаного з двох тонкостінних сталевих труб 1, кільцевий проміжок між котрими заповнений каоліновою ватою 2. Термоелектричний термометр 3 електроізольований трубкою 4 і розміщений в захисному наконечнику 5, котрий герметично зв'язаний з корпусом 6 і заглиблений на глибину h, рівну 1,5-2,5 зовнішнім діаметрам захисного наконечника. Робочий спай (скрутка) 7 термоелектричного термометра віддалена від торця електроізолюючої трубки 4 на відстань L, рівну 10-50 діаметрам його термоелектродів. Термоелектроди й робочий спай термометра 3 окиснені або оснащені спеціальним покриттям 8. З'єднання штирових контактів 9 занурюваного змінного пакета з термоелектродами термометра 3 мають клейове покриття 10. В робочому стані штирові контакти 9 розміщені в матрицях штирового роз'єму 11, які запресовані в електроізоляційну втулку 12. Матриці штирового роз'єму 11 разом з електроізоляційною втулкою 12 утворюють вузол штирових матриць 13. Він закріплений в корпусі з двох сталевих труб 1. З'єднання подовжувальних (компенсаційних) проводів 14 з матрицями штирового роз'єму 11 оснащені клейовим покриттям 15. Захисний наконечник 5 виконаний з термостійкого оптично прозорого і/або з високою теплота температуропровідністю матеріалу та заглиблений в корпус 6 на 1,5-2,5 свого зовнішнього діаметра. При такому заглибленні виключається проникнення повітря в порожнину наконечника в процесі вимірювань. При заглибленні менше, ніж на 1,5 діаметра повітря проникає в наконечник й окислює термоелектроди термометра 3, наприклад, типу ТВР. При заглибленні більшому, ніж 2,5 діаметра зменшується глибина занурення наконечника в середовище, температура котрого вимірюється. Проникнення повітря та зменшення глибини занурення призводять до підвищення похибки вимірювання температури. Висока термостійкість виключає руйнування наконечника при зануренні його в середовище, температура котрого вимірюється, наприклад, в металічний розплав. Висока температуро- й теплопровідність забезпечує швидкий нагрів наконечника в робочому середовищі й швидке встановлення термодинамічної рівноваги між ними. Оптично прозорий матеріал також прискорює встановлення термодинамічної рівноваги між робочим спаєм (скруткою) 7 й середовищем, температура якого вимірюється за рахунок додаткової передачі тепла випромінюванням. Комплексу перерахованих вимог найбільш повно відповідає кварц, котрий характеризується достатньою термостійкістю, теплота температуропровідністю, а також прозорістю для теплового електромагнітного випромінювання. Для вимірювань середніх температур, наприклад температур алюмінієвих розплавів, досить прийнятним матеріалом для захисного наконечника є аустенітний чавун з достатньою термостійкістю, більш високою, ніж у інших чавунів, теплота температуропровідністю (теплопровідність при 400 °C складає 45,8 Вт/(м·К)). Робочий спай (скрутка) 7 термоелектричного термометра 3 віддалений від торця електроізолюючої трубки 4 на відстань, рівну 10-50 діаметрам його термоелектродів. З теорії 2 UA 95334 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 теплопровідності відомо, що розподіл температури по довжині встановленого в стінці стержня й товщині цієї стінки ідентичні при наступному співвідношенні їх діаметра й товщини: dстержня  0,1dстінки . Тому при L, рівному 10 діаметрам термоелектродів, розподіл температури за довжиною даних термоелектродів відповідає температурі зовнішнього середовища. В пропонованому пристрої ідентичність розподілів температур витримується з запасом за рахунок передачі тепла випромінюванням та конвективною складовою. В випадку, якщо L перевищуватиме 50 діаметрів термоелектронів, виступаючий із електроізолюючої трубки робочий кінець термоелектричного термометра буде деформуватися під впливом власної ваги, вібрацій і т.д., торкатиметься захисного наконечника і взаємодіятиме з його матеріалом. Це категорично недопустимо, наприклад, у випадку використання платинового термоелектричного термометра й кварцового наконечника. За високих вимірюваних температур платина активно взаємодіє з кварцом з утворенням силіцидів платини й відповідним підвищенням похибки вимірювань. При цьому електроізолююча трубка виконана з кераміки з низькою тепло- й температуропровідністю. Низька тепло- й температуропровідність електроізолюючої трубки зменшує відведення тепла теплопровідністю й, відповідно, термічну інерційність пристрою. Найбільш прийнятними, в порядку зменшення тепло- й температуропровідності, є корунд, муліт, мулітокорунд, мулітокремнезем (теплопровідність при 800 °C складає 6,7 Вт/(м·К), 4,1 Вт/(м·К), 2,4 Вт/(м·К), 1,4 Вт/(м·К), при 1600 °C - 6,2 Вт/(м·К), 3,9 Вт/(м·К), 2,3 Вт/(м·К), 1,4 Вт/(м·К) відповідно). Термоелектроди термоелектричного термометра мають мінімально можливий з урахуванням технології виготовлення й термоелектричної неоднорідності діаметр. Наприклад, для термометра типу ТВР цей діаметр складає 0,1 мм, а для ТПП й ТПР - 0,05 мм. Крім цього, термоелектроди виготовлені з матеріалу з мінімальною тепло- й температуропровідністю. За цією вимогою, перевагу слід надати наступним термоелектричним термометрам (розташовані в порядку підвищення тепло- й температуропровідності): ТХА, ТПП, ТВР, ТПР (теплопровідність при 800 °C складає 34,3 Вт/(м·К) для хромеля, 40 Вт/(м·К)- для сплаву платинородію ПР-10, 44,3 Вт/(м·К) - для алюмелю, 68 Вт/(м·К) - для сплаву ВР20, 81,46 Вт/(м·К) -для платини, 100 Вт/(м·К) - для сплаву ВР5). Виступаюча з електроізолюючої трубки частина термометра з не окиснюваними термоелектродами оснащена покриттям 8 з високою випромінювальною здатністю й робочою температурою, яка рівна чи перевищує температуру середовища, яке контролюється. Наприклад, термоелектроди термометрів типів ТПП й ТПР з близькою до 0,4 випромінювальною здатністю можуть бути вкриті платиновою черню з близькою до 1 випромінювальною здатністю в видимій та інфрачервоній областях спектра. Таким чином, підвищується поглинання випромінювання термоелектродами й швидкість їх нагріву. У випадку окиснюваних термоелектродів (ТВР, ТХА, ТХК) вони мають бути попередньо окиснені (тобто вкриті оксидною плівкою 8). Окиснення підвищує випромінювальну здатність термоелектродів в 2 й більше разів і, відповідно, швидкодію пристрою. Корпус пристрою 6 виконано з пористої вогнестійкої маси з волокнистим наповнювачем, наприклад, з пористого вогнестійкого бетону з корундовим волокном. Використання пористої вогнестійкої маси й волокнистого наповнювача значно знижує теплопровідність й підвищує міцність корпусу. Наприклад, теплопровідність пористого «48 %» і звичайного «18 %» бетону на основі корунду при 800 °C відповідно складає 0,69 та 2,95 Вт/(м·К). Таким чином, використання пористого бетону дозволяє знизити теплопровідність й глибину прогріву корпусу практично в 4 рази, зменшити нагрів з'єднань штирових контактів 9 з термоелектродами термометра 3, підвищити ізотермічність цих з'єднань й, відповідно, знизити час й похибку вимірювання температури. Крім того, волокнистий наповнювач підвищує міцність корпусу, виключає можливість його розтріскування й руйнування в процесі використання пристрою та, за рахунок цього, також підвищує точність вимірювань. Герметичне, вологостійке при робочих температурах клейове покриття 10 з'єднань штирових контактів 9 з термоелектродами термометра 3 та клейове покриття 15 матриць штирового роз'єму 11 з подовжувальними (компенсаційними) проводами 14 забезпечують надійний електричний контакт між ними в процесі виготовлення корпусу пакета 6 та вузла штирових матриць 13, а також при вимірюваннях температури за рахунок забезпечення нормальних умов роботи термоелектричного кола пристрою. Покриття, наприклад із вологостійких клеїв КЛ А35, КЛ А35Р або КМХ-2 з робочими температурами 1300-1600 °C, виключає складові похибки вимірювань, обумовлені порушенням електричних контактів термоелектричного кола пристрою. Штирові контакти 9 й матриці штирового роз'єму 11 виконані з металевого сплаву з високою електропровідністю й границею пружності, наприклад, з латуні. Після однакової механічної й температурної обробки латунь має мінімум в 2 рази вищу, ніж у 3 UA 95334 U 5 10 15 20 25 30 35 міді, границю пружності, яка забезпечує необхідне надійне механічне з'єднання пакета з роз'ємом при прийнятному електричному опорі термоелектричного кола. Використання запропонованої конструкції й матеріалів змінного пакета суттєво зменшує час встановлення термодинамічної рівноваги між робочим спаєм (скруткою) й середовищем, температура якого вимірюється і, відповідно, тривалість кожного вимірювання температури. За рахунок цього збільшується кількість вимірювань одним пакетом й знижується їх вартість. При цьому, за рахунок прискорення встановлення термодинамічної рівноваги, виключення надходження повітря в порожнину захисного наконечника, підвищення ізотермічності з'єднань термоелектродів термоелектричного термометра зі штировими контактами й матриць штирового роз'єму із подовжувальними (компенсаційними) проводами, а також забезпечення герметичності й вологостійкості цих з'єднань, знижується похибка вимірювання температури. Крім того, конструкція й матеріали пакета зменшують тривалість паузи між черговими вимірюваннями. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для вимірювання температури рідких та газоподібних середовищ, який включає в себе роз'єм та занурюваний змінний пакет з термоелектричним термометром, контактами та вогнестійкою захисною арматурою, який відрізняється тим, що розміщений у виконаному з термостійкого оптично прозорого і/або з високою тепло- й температуропровідністю матеріалу й заглибленому в корпусі на 1,5-2,5 зовнішнього діаметра захисному наконечнику робочий спай (скрутка), віддалений від торця виконаної з кераміки з низькою тепло- й температуропровідністю електроізолюючої трубки на відстань 10-50 діаметрів термоелектродів термоелектричного термометра, які мають мінімально можливий з урахуванням технології виготовлення й термоелектричної неоднорідності діаметр й виконані з матеріалу з мінімальною тепло- й температуропровідністю, причому виступаюча з електроізолюючої трубки частина термоелектричного термометра з неокиснюваними термоелектродами оснащена покриттям з високою випромінювальною здатністю й робочою температурою, яка рівна або перевищує температуру контрольованого середовища, а в випадку окиснюваних виконана із попередньо окиснених термоелектродів, при цьому корпус виконано з пористої вогнестійкої литої маси з волокнистим наповнювачем, а з'єднання ізотермічно розміщених в корпусі штирових контактів пакета з термоелектродами термометра оснащені герметичним вологостійким при робочих температурах клейовим покриттям, причому штирові контакти змінного пакета й матриці штирового роз'єму виконані з металевого сплаву з високою електропровідністю й границею пружності, а їх з'єднання з компенсаційними (подовжувальними) проводами також оснащені захисним клейовим покриттям. 4 UA 95334 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 5