ТЕРМОПАРНЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
THERMOCOUPLE PRIMARY CONVERTER

Изобретение относится к области измерительной техники и, преимущественно, предназначено для измерения высоких температур, вплоть до температуры 3200°С и может быть использовано при исследованиях высокотемпературных потоков, расплавов и газовых сред.
В данном классе измерений на современном уровне развития науки и техники применяются или известны следующие технические решения.
Известны термопары, образованные спаем из двух разнородных термоэлектродных материалов, например, таких как хромель-алюмель, медь-константан, вольфрам-рений, платина-платинородий и др. В основу работы таких термопар положен общий принцип - термоэлектрический эффект Зеебека. Конструкции всех термопар также подчинены общему принципу: концы разнородных термоэлектродных материалов соединяются (спаиваются, свариваются) между собой в одной точке, образуя рабочий спай термопары, при этом при измерении температур выше 1300°С для сохранности термопары ее электроды, как правило, помещают в охранные трубки, выполненные из окиси алюминия, магния, бериллия, тория и двуокиси циркония (Никонов Н. Термопары. Типы. Характеристики. Производство. - М.: ООО «МТК «Метотехника», 2015 - 62 с; Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И. и др. Температурные измерения. Справочник. - Киев: Наукова Думка, 1984 - 495 с). Верхний предел измеряемых температур ограничен значением 2200°С при длительном измерении и значением 2500°С - при кратковременном измерении.
Недостаток традиционно применяемых известных термопар -ограничение верхнего предела измеряемой температуры значением 2500°С, а также - существенное снижение точности измерений при высоких температурах, которое вызвано неконтролируемым изменением номинальной статической характеристики термопары, которое, в свою очередь, связано с также неконтролируемым изменением сопротивления электрической изоляции между термоэлектродами термопары из-за изменения проводимости газовой среды или электроизоляционного материала (например, керамики), заполняющими пространство между термоэлектродами.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой термопаре является высокотемпературная термопара (прототип), которая содержит два высокотемпературных электрода, соприкасающиеся друг с другом по всей их длине, один из электродов которой выполнен из тугоплавкого металла, например, вольфрама, а другой - из пиролитического графита (пирографита), плоскость осаждения которого параллельна длине электрода (Авт. свид. СССР №265491, МПК G01K, опубл. 09.03.1970, БИ №10).
Недостаток термопары-прототипа заключается в том, что она не обеспечивает требуемую высокую точность измерений и может применяться только до температур, не выше 3000°С. Относительно невысокая точность термопары обусловлена следующим. Так как свободные концы, или т.н. холодный спай термопары-прототипа при реальных измерениях всегда закреплен, поэтому вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) пирографита и вольфрама (Фиалков А.С., Бавер А.И., Сидоров Н.М. и др. Пирографит: получение, структура свойства. // Успехи химии, т. 34. №1. 1965. С. 132-153) при размещении горячего спая указанной термопары в среду с высокой температурой, в электродах возникают существенные термонапряжения, которые:
во-первых, могут привести к повреждению электродов и выходу из строя всей термопары;
во-вторых, появляется неконтролируемое изменение статической характеристики термопары, которое, в свою очередь, напрямую связано с энергетическим состоянием пирографитового электрода, т.е. с его термонапряжением. Это приводит к существенному снижению достоверности и точности получаемых результатов.
Второй указанный недостаток термопары обусловлен ограничением по предельной рабочей температуре (3000°С), которое накладывается температурой плавления электрода из тугоплавкого металла. Вследствие данных недостатков указанная термопара не нашла широкого применения в науке и в промышленности.
Цель изобретения - повышение точности измерения температуры с одновременным увеличением верхнего предела измеряемых температур и повышением надежности термопары.
Указанная цель достигается тем, что термопарный первичный преобразователь состоит из двух коаксиально расположенных электродов, диска и электроизоляционной втулки, у которого первый электрод выполнен в форме полого цилиндра, второй электрод расположен коаксиально внутри первого электрода, диск и электроизоляционная втулка размещены внутри полого цилиндра первого электрода и закреплены на его противоположных торцах, один из концов второго электрода закреплен в центре диска, а его другой конец вставлен внутрь электроизоляционной втулки и имеет возможность свободного перемещения в ней, при этом первый и второй электроды выполнены из пирографита, плоскость осаждения которого параллельна продольной оси первого электрода, а диск выполнен из графита.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлен эскиз заявленного термопарного первичного преобразователя, у которого: 1 - первый электрод, 2 - второй электрод, 3 - диск, 4 - электроизоляционная втулка. Закрепление одного из концов второго электрода 2 в диске 3, диска 3 и изолирующей втулки 4 в полом цилиндре первого электрода 1 осуществляется, например, при помощи резьбового соединения.
В предлагаемом термопарном первичном преобразователе недостатки прототипа устранены как за счет самой конструкции, так и за счет применения наиболее тугоплавких материалов конструктивных элементов (первый и второй электрод, диск), таких как графит и анизотропный пирографит, обладающих высокой температурой плавления, которая, по данным разных исследователей составляет 4530-5080 К (см. например: Савватимский А.И. Плавление графита и свойства жидкого углерода. М.: Физматкнига, 2013. - 257 с). В частности, конструкция термопарного первичного преобразователя полностью исключает влияние термонапряжений на статическую характеристику преобразователя, что обеспечивается возможностью свободного перемещения конца второго электрода 2 (стержня) внутри электроизоляционной втулки 4. Это устраняет первый указанный выше недостаток прототипа. Второй из указанных недостатков прототипа устраняется за счет использования графита и анизотропного пирографита в качестве электродных материалов, что повышает верхний предел измеряемой температуры вплоть до 3200°С.
Σ
Кроме того, с одновременным устранением недостатков заявленный термопарный первичный преобразователь в сравнении с прототипом обладает более высоким коэффициентом преобразования разницы температур в термоэдс, т.е. - более высокой чувствительностью. Это обеспечивается тем, что в результате использования трех конструктивных элементов - первого электрода 1, второго электрода 2 и диска 3, образуется термопарный первичный преобразователь, представляющий собой т.н. термостолбик - систему, состоящую из 2-х последовательно соединенных термопар. При этом, рабочий спай первой термопары образуется первым электродом 1 и диском 3, а рабочий спай второй термопары образуется диском 3 и вторым электродом 2. В результате этого заявленный термопарный первичный преобразователь при помещении его рабочих спаев в нагретую среду генерирует две термоэдс, суммарная от которых U равна:
Σ
23
13
13
23
U=2U=2U, (U=U).
При разработке заявленного термопарного первичного преобразователя использован известный факт того, что анизотропный пирографит, который имеет слоистую структуру и явно выраженную анизотропию тепловых и электрических свойств, в паре с обычным графитом создает регистрируемую величину термоэдс. Кроме этого, использован факт, который экспериментально установлен автором изобретения, и он заключается в том, что термическая пара из двух анизотропных пирографитов, ориентированных друг к другу перпендикулярно плоскостями их осаждения, создает также регистрируемую величину термоэдс.
Σ
Теромопарный первичный преобразователь работает следующим образом. Рабочие спаи преобразователя, образованные диском 3, первым 1 и вторым 2 электродами, помещаются в измеряемую среду, при этом противоположный торец преобразователя с электроизолирующей втулкой 4 находится при температуре окружающей среды и имеет, например, комнатную температуру. При выходе термопарного первичного преобразователя на стационарный тепловой режим на его выходе генерируется стационарная термоэдс U, прямо пропорциональная температуре измеряемой среды. Указанная термоэдс измеряется соответствующим заданной точности вольтметром, затем, по заранее известной номинальной статической характеристике данного термопарного первичного преобразователя, определяется искомое значение температуры измеряемой среды.
Заявленный термопарный первичный преобразователь обладает высокой надежностью, точностью и может использоваться вплоть до температур 3200°С.