УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ
GAS FLOW TEMPERATURE GAGE

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике.
Известны устройства с высокотемпературными термопарами, способными без возобновления рабочего термоспая обеспечивать с допустимой погрешностью многократные измерения температуры среды до 1500-1600°С, которая обладает высоким механическим воздействием на термопару, если они будут снабжены защитными наконечниками (Данишевский Д.С., Сведе-Швец Н.И. Высокотемпературные термопары. М.: Металлургия, 1977, с.117 - 120).
Однако известные устройства, хотя и обеспечивают защиту термопары от механических воздействий среды за счет введения защитных наконечников, но обладают невысоким быстродействием, т.к. введение защитных наконечников приводит к снижению теплообмена между термопарой и средой, температура которой подлежит измерению.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте РФ №2117265, кл. G01K 7/04, 1998 г.
Данное устройство представляет собой металлический блок, выполненный в виде соединенного с корпусом цилиндра с глухим продольным осевым каналом, в котором размещен рабочий спай термопары с защитным керамическим наконечником. Часть цилиндра выполнена выступающей за пределы корпуса. На его поверхности на расстоянии 0,3-0,4 ее длины от наружного торца цилиндра выполнена проточка. Конструкция устройства позволяет уменьшить теплоотвод от рабочего спая термопары к водоохлаждаемому корпусу, повысить механическую жесткость металлического блока, находящегося под воздействием высокой температуры и силы тяжести.
Однако анализ прототипа выявляет существенный недостаток, который заключается в низком его быстродействии. Указанное обусловлено наличием керамического наконечника с низким коэффициентом теплопередачи от среды к термопаре, массивностью конструкции самой термопары и, соответственно, повышенной теплоемкостью и тепловой инерцией.
Ожидаемым техническим результатом настоящего изобретения является повышение быстродействия устройства.
Сформулированный результат достигается тем, что в устройстве для измерения температуры газовых потоков, содержащем термопару в металлическом корпусе, рабочий спай которой расположен внутри защитного наконечника, выступающего за пределы корпуса, отличающемся тем, что выступающая за пределы корпуса часть термопары выполнена в виде металлической трубки диаметром d, заканчивающейся уплощенной лопаткой, торец которой является термоспаем, металлическая трубка имеет уменьшающийся в сторону уплощенной лопатки диаметр, равный 0,4÷0,5 d непосредственно перед лопаткой, а уплощенная лопатка имеет следующие размеры: длина 0,3÷0,4 d, ширина 0,7÷0,8 d, толщина 0,1÷0,2 d, при этом внутри металлической трубки размещены термопроводы, изолированные друг от друга и от трубки, переходящей в уплощенную лопатку, и имеющие диаметр, уменьшающийся пропорционально уменьшению диаметра трубки и сохраняющийся постоянным внутри уплощенной лопатки, защитный наконечник выполнен металлическим и перфорированным.
На чертеже изображен общий вид устройства в разрезе.
Устройство для измерения температуры газовых потоков содержит металлический корпус 1 термопары, защитный наконечник 2, металлическую трубку 3 диаметром d, выполненную из жаропрочного материала, обладающего стойкостью к высокотемпературной агрессивной среде и динамическим механическим нагрузкам (например из сплава ХН67МВТЮ), и лопатку 4. В торце лопатки 4 расположен рабочий термоспай 5. Трубка 3 выполнена таким образом, что на выходе из металлического корпуса 1 имеет уменьшающийся диаметр до 0,4÷0,5 d и далее переходит в уплощенную лопатку с длиной 0,3÷0,4 d, шириной 0,7÷0,8 d и толщиной 0,1÷0,2 d. Уменьшение диаметра трубки 3 до 0,4÷0,5 d обеспечивает снижение теплоемкости термопары и, как следствие, увеличение скорости теплопередачи от среды к рабочему термоспаю 5. Дополнительное увеличение коэффициента теплопередачи достигается за счет аэродинамического торможения на плоской части лопатки 4. Однако дальнейшее уменьшение диаметра трубки 3, а также увеличение площади лопатки 4 приводит к недопустимому снижению прочности конструкции Экспериментально установлено, что стабильная работа устройства достигается при вышеуказанных размерах.
Термопровода в области уменьшающегося диаметра, а также в области лопатки 4 выполнены таким образом, что имеют диаметр, уменьшающийся пропорционально уменьшению диаметра трубки 3 и далее сохраняющийся постоянным внутри уплощенной лопатки 4. Термопровода внутри трубки 3 и лопатки 4 изолированы между собой и от трубки 3 с помощью порошкового изолятора.
Устройство работает следующим образом. Устройство устанавливается в газоходе 6 с помощью накидной гайки 7 таким образом, что лопатка 4 плоской частью располагается поперек направления газового потока. Рабочий термоспай 5 термопары, расположенный в торце лопатки 4, воспринимает температуру газового потока и формирует электрический потенциал, пропорциональный измеряемой температуре.
Указанное исполнение трубки 3 и лопатки 4, которые выступают за пределы корпуса 1, обуславливает пониженную термическую инерцию конструкции в сочетании с механической прочностью. Пониженная термическая инерция конструкции позволяет обеспечить измерение температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газоходе 6. Дополнительное повышение быстродействия достигается за счет установки плоской части лопатки 4 поперек газового потока, что приводит к повышению теплопередачи от среды к рабочему термоспаю за счет его аэродинамического торможения на лопатке 4 и улучшения теплообмена между ними.
Для предотвращения излишних механических нагрузок на выступающую часть трубки 3 и лопатку 4 от воздействия скоростного напора газовой среды служит перфорированный металлический наконечник 2.