ВНЕДРЕНИЕ СВЕТОВОДА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ДАТЧИКА В КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
INTRODUCTION OF LIGHT GUIDE OF MEASURING SENSOR INTO STRUCTURAL ELEMENT

Изобретение относится к способу внедрения световода измерительного датчика температуры и/или напряжения в конструктивный элемент для измерения температуры и/или напряжения, состоящий из основного материала с нанесенным на нее покрытием, при этом световод помещают в предусмотренную плоскость измерения и затем наносят покрывающее покрытие.
Кроме того, изобретение относится к конструктивному элементу измерения с внедренным световодом измерительного датчика температуры и/или напряжения, который состоит из основного материала с нанесенным на него покрытием, при этом световод помещен в предусмотренную плоскость измерения и покрыт покрытием.
Известно, что для измерения температуры используют световоды и встраивают их в конструктивный элемент измерения температуры. Таким конструктивным элементом измерения температуры может быть содержащий встроенный датчик конструктивный элемент, монтируемый для измерения температуры на элементе машины или установки, такой как измерительный зонд температуры или также принимающий горячий флюид резервуар или емкость, как, например, теплообменник или печь. Чтобы определить рабочее состояние и/или износ, на конструктивных элементах измеряют температуру, при известных условиях, в нескольких местах. Для измерения температуры известны световоды как измерительные датчики и чувствительные элементы и соответствующие блоки обработки данных.
Также известно, что такие световоды используют для измерения механических напряжений или механических напряженных состояний. С этой целью световоды встраивают как составной компонент измерительного датчика напряжения, регистрирующего механические напряжения, в конструктивный элемент для измерения напряжения, механические напряжения которого необходимо определить. В этом смысле в дальнейшем используется термин «конструктивный элемент для измерения напряжения». Стекловолоконные проводники или световоды применяют также для измерения механических напряжений. С этой целью соответствующие волоконные световоды, в частности, стекловолокно, или пучок волокон прочно заделывают в соответствующую матрицу, в частности, в окружающий их соответственно материал матрицы.
Для измерения температуры световоды, например в форме стекловолокна, часто вводят в защитную металлическую трубку, которую размещают в месте, в котором необходимо измерить температуру конструктивного элемента или среды. Чтобы иметь возможность проводить точное измерение, металлическая трубка должна быть уложена максимально плотно и герметично и по возможности без воздушного зазора или воздушного промежутка на поверхности конструктивного элемента или материала или среды, температуру которых необходимо измерить. Чтобы обеспечить эти условия, в поверхности конструктивного элемента имеются фрезерованные канавки или отверстия, в которые или на которые помещают металлическую трубку. Но при этом вследствие обычных отклонений и допусков не обеспечивается, что металлическая трубка во всех случаях прилегает тесно и вплотную к поверхности и, следовательно, к материалу конструктивного элемента. Кроме того, этот способ размещения световода обусловлен ограничениями в зависимости от геометрической конфигурации или возможной механической обработки конструктивного элемента.
Из соответствующей данному типу патентной публикации US 5996219 А известен способ капсюлирования электрических или оптических компонентов датчика в высокожаропрочном металле. При этом световод помещают на покрытие подложки, состоящей из основного металла и покрытия, и затем заделывают в дополнительное нанесенное поверх несколькими слоями, также содержащее металл покрытие. Путем капсюлирования или заделки предполагается обеспечить защиту от вредных воздействий окружающей среды. Но изготовленный таким образом измерительный зонд температуры или напряжения или аналогичный компонент не является непосредственно конструктивным элементом, температуру которого или механическое напряжение или подобный параметр предполагается измерить. Более того, очевидно, что он лишь крепится на таком конструктивном элементе. Капсюлирование или заделку осуществляют с помощью многих различных слоев, и способ соответственно затратен.
Публикация США 6944360 В2 раскрывает датчик температуры/давления, который заделан в высокожаропрочный металл. Здесь заделка также является многослойной и соответственно затратной.
Из публикации WO 2004/015349 А2 известна плавильная печь, рабочее состояние которой контролируется при помощи световодов. Световоды помещены между огнеупорным слоем, который окружает источник тепла, и наружной стеной плавильной печи. Световоды закреплены, например, на гибком мате. Точное соотнесение измеренных температур с узкоограниченным местом измерения невозможно, так как температуры передаются посредством излучения на световоды.
Задача изобретения заключается в том, чтобы предложить такое решение, которое позволяет осуществить точное и плотное внедрение и закрепление световода в/на корпусе конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения.
В отношении вначале более подробно обозначенного способа эта задача согласно изобретению решается тем, что световод помещают в/на плоскость конструктивного элемента измерения температуры и/или напряжения, ограничивающую основной материал конструктивного элемента для измерения температуры и образующую предусмотренную плоскость измерения, и затем на эту образованную из основного материала плоскость конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения наносят покрывной материал при образовании покрытия, закрепляющего неразрывным образом световод или окружающую световод трубку на основном материале и/или примыкающих зонах покрытия.
В отношении конструктивного элемента для измерения обозначенного более подробно вначале вида эта задача согласно изобретению решается тем, что световод помещен в/на плоскость конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения, ограничивающую основной материал конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения и образующую предусмотренную плоскость измерения и установлен в этой образованной из основного материала плоскости конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения посредством покрытия, неразрывным образом закрепляющего световод или окружающую световод трубку на основном материале и/или примыкающих зонах покрытия.
Соответствующие зависимые пункты формулы изобретения относятся к предпочтительным вариантам осуществления и усовершенствования изобретения.
Изобретение позволяет выполнить и оснастить конструктивный элемент для измерения температуры и/или напряжения таким образом, что преобладающие в/на нем температуры или напряжения могут быть точно измерены и точно локализованы при помощи внедренного таким образом в корпус конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения или с помощью по меньшей мере одного световода, закрепленного на корпусе конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения. Благодаря изобретению выполненный в форме световода или включающий световод датчик температуры, или датчик напряжения, или датчик давления может быть встроен и внедрен с плотным и герметичным прилеганием непосредственно и прямо в корпус конструктивного элемента, или относящегося к установке машинного или технологического инструмента, или конструктивного элемента установки или машины. При известных условиях, окруженный защитной трубкой световод прочно и однородно охвачен или закрыт покрытием и таким образом зафиксирован на/в предусмотренной плоскости измерения. Больше не требуется, чтобы вначале был изготовлен отдельный, содержащий световод датчик, который затем необходимо закрепить в инструменте или конструктивном элементе установки с сопутствующими этому и вышеописанными трудностями. Световод заделывают в покрытие и таким образом полностью закрывают покрытием и, следовательно, защищают от механических и/или химических воздействий.
Вариант осуществления, согласно изобретению, конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения является, в частности, предпочтительным тогда, когда место осуществляемого измерения температуры или напряжения при помощи световода находится вблизи от поверхности конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения, подверженной воздействию теплоты и температуры и/или воздействию напряжения, и/или этот конструктивный элемент имеет сложную и/или усложненную форму и одновременно желательно тесное и однородное внедрение световода.
Для обеспечения предпочтительного внедрения и закрепления световода целесообразно, согласно варианту осуществления изобретения, если вначале изготавливают часть конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения, содержащего плоскость измерения и состоящего из основного материала с нанесенным покрытием, затем частично удаляют покрытие вплоть до поверхности измерения, помещают в этой зоне, по меньшей мере, один световод или световод с окружающей трубкой и, наконец, вновь наносят покрытие.
При этом в зависимости от выбранного способа нанесения покрытия световод размещают и фиксируют прямо непосредственно без окружающей трубки или вставленным в окружающую трубку на созданную плоскость измерения и затем вновь наносят покрытие.
Для точного позиционирования световода в конструктивном элементе для измерения температуры и/или напряжения изобретение предусматривает далее, что в плоскости измерения в основном материале фрезеруют канавки или просверливают отверстия и световод или окружающую световод трубку вставляют, по меньшей мере, на отдельных участках или частично в соответствующую канавку или соответствующее отверстие и наносят покрытие. Таким образом световод выполнен с возможностью точной фиксации и позиционирования. Предпочтительно, канавки диаметром, соответствующим диаметру световодов величиной порядка от 100 до 150 мкм, проделывают в плоскости измерения, в которых затем укладывают световод без защитной трубки и затем наносят покрытие. Однако можно также выполнить такие канавки для световодов, помещенных в трубку.
Покрывным материалом или материалом покрытия может быть тот же материал, что и основной материал или материал, отличающийся от основного материала, что также предусматривается изобретением.
Для нанесения покрытия подходят известные способы нанесения покрытия. Целесообразно, согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, наносить покрытие посредством способа термического напыления или способом гальванического или химического нанесения покрытия.
Для нанесения и монтажа покрытия подходят как способы термического напыления, например, газопламенное напыление с использованием проволоки, плазменное напыление, порошковое напыление в паровой фазе, высокоскоростное газопламенное напыление или напыление в потоке холодного газа. Так как термические методы нанесения покрытия генерируют высокую кинетическую энергию на покрываемую поверхность конструктивного элемента для измерения температуры и/или напряжения и на световод, то предполагается, что световод в этом случае должен находиться в окружающей и защищающей его металлической трубке, с тем чтобы в процессе нанесения покрытия он не повредился. В отличие от этого, при гальваническом нанесении покрытия речь идет о химическом реакционном способе, который не наносит вреда соответствующему световоду из стекловолокна.
Особенно выгодную толщину слоя, согласно усовершенствованному варианту изобретения, получают тогда, когда покрытие наносят толщиной от 200 мкм до 5 мм, в частности от 200 до 250 мкм. Возможно также нанесение покрытия толщиной свыше 250 мкм и до нескольких миллиметров. В другом альтернативном варианте покрытие имеет толщину, равную, по меньшей мере, 1,5 диаметра световода. В этом случае световод надежно и полностью закрыт покрытием, причем допускается также известный износ покрытия.
Чтобы иметь возможность изготовления конструктивных элементов установок тяжелой индустрии, а также добиться хорошей температуропроводности, преимуществом другого варианта осуществления изобретения является, что основной материал и покрывной материал представляют собой один металл или, по меньшей мере, состоят по существу из одного металла.
Особенно выгодно применение изобретения в таких случаях, когда световод помещают в/на конструктивном элементе для измерения температуры и/или напряжения, который является составной частью конструктивного элемента, принимающего и/или окружающего горячий флюид (текучую среду).
Особенно предпочтительно использование изобретения в кристаллизаторах, пластинах кристаллизаторов или трубчатых кристаллизаторах, при помощи которых разливают сталь. Поэтому изобретение отличается далее тем, что световод помещают в/на конструктивном элементе для измерения температуры и/или напряжения, который представляет собой или образует составную часть кристаллизатора, пластины кристаллизатора или трубчатого кристаллизатора.
В этом случае световод может быть помещен как на горячей стороне, так и на стороне, имеющей охлаждающие каналы, т.е. холодной стороне кристаллизатора, так что изобретение в варианте усовершенствования также предусматривает, что по меньшей мере один световод или по меньшей мере одну окружающую световод трубку помещают на горячей стороне кристаллизатора, пластины кристаллизатора или трубчатого кристаллизатора, а также что, по меньшей мере, один световод или, по меньшей мере, одну окружающую световод трубку помещают на стороне, противоположной горячей стороне кристаллизатора, пластины кристаллизатора или трубчатого кристаллизатора в охлаждающем канале.
При этом охлаждающий канал может представлять собой особую форму или конструктивное исполнение канавки.
Конструктивный элемент для измерения температуры и/или напряжения изготовлен предпочтительно по одному из пунктов 1-11 формулы изобретения.
Причем предпочтительным в данном случае является, если световод или окружающая световод трубка заделана в покрытие, при этом световод или окружающая световод трубка вставлена, кроме того, в выполненную в основном материале канавку, что также предусматривается изобретением.
Целесообразная толщина покрытия составляет, согласно изобретению, 200-250 мкм. При этом покрытие имеет предпочтительно толщину, равную, по меньшей мере, 1,5 диаметра световода, так как в этом случае световод надежно и полностью закрыт покрытием, причем допускается также известный износ покрытия.
Конструктивный элемент для измерения температуры и/или напряжения может быть, согласно варианту усовершенствования изобретения, предпочтительно неотъемлемой составной частью конструктивного элемента, принимающего и/или окружающего горячий флюид, при этом согласно изобретению далее в этом случае может быть предусмотрено, что конструктивный элемент для измерения температуры и/или напряжения представляет собой или образует составную часть кристаллизатора, пластины кристаллизатора или трубчатого кристаллизатора.
Наконец, изобретение предусматривает также, что на горячей стороне кристаллизатора, пластины кристаллизатора или трубчатого кристаллизатора помещен, по меньшей мере, один световод или, по меньшей мере, одна окружающая световод трубка и/или на стороне, противоположной горячей стороне кристаллизатора, пластины кристаллизатора или трубчатого кристаллизатора в охлаждающем канале, помещен, по меньшей мере, один световод или, по меньшей мере, одна окружающая световод трубка. Следовательно, на конструктивный элемент для измерения температуры и/или напряжения можно поместить больше одного световода и, например, снабдить горячую сторону, равно как и сторону кристаллизатора, имеющую охлаждающие каналы, по меньшей мере, одним световодом.
Ниже изобретение поясняется более детально в виде примеров на основе чертежа, на котором показаны:
фиг.1 - в схематичном изображении фрагментарно поперечный разрез части конструктивного элемента для измерения температуры согласно изобретению с тремя световодами,
фиг.2 - в схематичном изображении фрагментарно поперечный разрез части конструктивного элемента для измерения температуры согласно изобретению с тремя световодами, причем световоды помещены в канавки, и
фиг.3 - в схематичном изображении поперечный разрез трубчатого кристаллизатора, состоящего из одной части или из нескольких частей.
На фиг.1 как первый пример осуществления показана часть корпуса конструктивного элемента 1 для измерения температуры, которая включает состоящую из основного материала 2 основную часть 2а. Три световода 3, один из которых окружен защитной трубкой или трубкой 4, расположены на заранее определенной и установленной, а также ограничивающей или замыкающей зону основного материала 2 поверхности основной части 2а, которая представляет собой плоскость измерения. При этом следует обратить внимание, что конструктивный элемент 1 для измерения температуры включает, как правило, исключительно однотипные световоды 3, то есть которые содержат либо не содержат окружающую трубку 4. Световоды 3 плотно уложены на основном материале 2 основной части 2а и посредством покрытия 5, образованного из материала 5а покрытия, предпочтительно металла, зафиксированы в своем положении и плотно, герметично и однородно охвачены покрытием 5. Толщина покрытия 5 соответствует примерно 200-250 мкм и, следовательно, примерно двойному диаметру в 100-150 мкм обычного световода 3, при этом имеющаяся при известных условиях защитная трубка 4 здесь не учитывается. Толщина слоя также может быть существенно толще и достигать нескольких миллиметров.
Основная часть 2а изготовлена здесь из соответствующего металла в зависимости от применения. Покрытие 5 состоит из металла или также из высокожаропрочного металла, например никеля, и наносится термическим напылением или гальваническим или химическим способом. При термическом способе напыления световод 3 предпочтительно окружен защитной трубкой 4. В зависимости от применения конструктивного элемента 1 для измерения температуры покрытие 5 имеет высокую твердость и/или износостойкость. Толщина покрытия составляет, как правило, 200-250 мкм, но может быть значительно больше.
Световод 3 представляет собой стекловолокно диаметром от 100 до 150 мкм. Защитная трубка 4 изготовлена из подходящего металла.
Для изготовления конструктивного элемента 1 вначале изготавливают основную часть 2а. На заранее заданной поверхности основной части 2а световоды 3, с защитной трубкой 4 или без нее, закрепляют временно таким образом, что измерение температуры можно осуществлять в заданных местах. Затем заранее заданная поверхность снабжается покрытием 5, причем его наносят, например, газопламенным напылением с использованием проволоки, плазменным или порошковым напылением в паровой фазе или гальваническим или химическим способом.
Второй пример осуществления на фиг.2 отличается от предыдущего тем, что в поверхности основной части 2а проделаны канавки 6, так что для одинаковых или идентичных частей или элементов используются одни и те же ссылочные позиции, что и в примере осуществления согласно фиг.1. Канавки 6 имеют здесь полукруглое поперечное сечение, при этом диаметр полукруга соответствует, по меньшей мере, диаметру помещаемого в него световода 3, соответственно, защитной трубки 4, так что световод 3 или соответственно трубку 4, заведенный(ую) в соответствующую канавку 6 без зазора или с небольшим зазором, помещают в соответственно предусмотренной поверхности измерения.
Третий, представленный на фиг.3 пример осуществления, в котором одинаковые или идентичные части или элементы также снабжены одинаковыми, как и на фиг.1 и 2, ссылочными позициями, относится к состоящему из одной или нескольких частей трубчатому кристаллизатору 7 прямоугольного сечения. Состоящая из основного материала 2 основная часть 2а трубчатого кристаллизатора 7 изготовлена предпочтительно из меди и имеет распределенные на своей наружной стороне, так называемой холодной стороне, охлаждающие каналы 8. Из охлаждающих каналов 8, которые имеют прямоугольное, но при желании также полукруглое поперечное сечение, здесь в качестве примера представлены лишь два. По меньшей мере, в одном - здесь в каждом - охлаждающем канале 8, на его основании, то есть на смежной с внутренней стороной, так называемой горячей стороной трубчатого кристаллизатора 7 стороне охлаждающего канала 8, помещен соответственно по меньшей мере один световод 3. Световоды, как и в описании к первому примеру осуществления, закреплены и охвачены посредством покрытия 5. Альтернативно и/или дополнительно, на внутренних стенках с внутренней стороны основной части 2а, на горячей стороне трубчатого кристаллизатора 7, также помещены световоды 3, закрытые покрытием 5. Покрытие 5 покрывает здесь внутренние стенки в целом и может иметь обычную для трубчатых кристаллизаторов толщину. В данном случае речь идет предпочтительно о кристаллизаторе установки непрерывной разливки. Так как пластины кристаллизатора или трубы катализатора или трубчатые катализаторы 7 установок непрерывной разливки гальванически покрывают зачастую на их горячей стороне никелем, то покрытие 5 на горячей стороне трубчатого кристаллизатора 7 в примере осуществления также состоит из никеля, а покрывной материал 5а - никель - наносят гальванически на основной материал 2, например, сталь.
В остальном варианты осуществления действительны также в отношении других примеров осуществления.
Во всех примерах осуществления световоды 3 подключены к соответствующему блоку обработки данных.
Даже если выше описан конструктивный элемент 1 для измерения температуры с заделанным в покрытие, согласно изобретению, световодом 3, то аналогичным и предпочтительно идентичным образом, вместо конструктивного элемента 1 для измерения температуры, конструктивный элемент для измерения напряжения, не представленный более подробно, также может быть снабжен световодом для измерения механических напряжений и выполнен, следовательно, как измерительный датчик напряжения или быть составной частью последнего.