ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Термоэлектрический преобразователь
Заявляемая полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при создании приборов, предназначенных для измерения высоких температур (1000 °С и выше), работающих при резких температурных перепадах, например, в металлургических печах.
Для надежной работы термоэлектрического преобразователя необходимо изолировать термоэлектроды от рабочей среды. С этой целью термоэлектроды помещают в защитные чехлы из керамики. Чем больше толщина стенки защитного чехла, тем надежнее изоляция, однако при увеличении толщины стенки снижается ее термопрочность, т.е. устойчивость к термокачкам.
Известна конструкция термоэлектрического преобразователя III, в которой платиносодержащие термоэлектроды помещены в двухканальную корундовую соломку длиной 200-400 мм, которая в свою очередь размещена внутри газоплотного керамического чехла, изготовленного из корунда марки КТВП. Большая толщина стенки чехла (5 мм и более) ведет к снижению термопрочности чехла, однако уменьщить толщину стенки не представляется возможным, т.к. это увеличит её газопроницаемость при высоких температурах и снизит механическую прочность чехла.
Наиболее близкойк заявляемому устройству является конструкция
термоэлектрического преобразователя 121, предназначенного для измерения температуры в расплавах металлов (до 1600 °С). Указанный термопреобразователь снабжен двойным защитным чехлом: наружный чехол выполнен из самосвязанного карбида кремния, а внутренний из газоплотного корунда. Термоэлектроды изолированы друг от друга по длине при помощи двухканальной соломки.
МПК Н 01 L 35/00
Наружный чехол из карбида кремния лучше противостоит термоударам в расплавах металлов в отличие от корунда, а также более стоек химически. Однако, применение его для измерения температуры воздушных сред не всегда оправдано, т.к. он слишком дорог и сложен в изготовлении. Кроме того, между чехлами существует газовый зазор, который снижает ударные тепловые нагрузки на внутренний корундовый чехол, но и, одновременно, резко увеличивает тепловую инерционность прибора. Газоплотный корунд надежно изолирует термоэлекгроды от воздействия измеряемой среды, однако корунд имеет низкую термопрочность. Допускаемая скорость нагрева чехлов из корунда 200300°С/час, что на практике соблюдается редко, т.к. при замене термоэлектрического преобразователя новое изделие, как правило, просто вдвигается в отверстие работающей печи. В лучщем случае это происходит в 3-5 приёмов. Аналогичные перепады температур возникают при включении (выключении) газопламенных факелов разогрева рабочей среды. Работа в условиях ударных тепловых нагрузок достаточно обычна для этого класса термоэлектрических преобразователей. При использовании двухканальной соломки, длина которой не превыщает 400 мм, происходит загрязнение платинового электрода родием, испаряемым с другого термоэлектрода, выполненого из сплава (90% платины и 10%
родия). При этом происходит прямой перенос родия с одного термоэлектрода на другой в местах стыков двухканальной соломки. Кроме того в этих местах возможен «перекрут пары термоэлектродов и замыкание измерительной цепи.
Перед автором стояла задача по созданию термопреобразователя, лищенного указанных недостатков. Для решения поставленной задачи в термоэлектрическом преобразователе, состоящем из термоэлектродов, изолированных друг от друга керамической соломкой и помещенных в защитную арматуру, состоящую из внутреннего и наружного керамических чехлов предлагается керамическую соломку вьшрлнить одноканальной и нанизать ее на оба термоэлектрода так, что стыки соломки, нанизаРтой на
один термоэлектрод схэвпадают с телом соломки, нанизанной на другой термоэлектрод, а пространство между керамическими чехлами предлагается заполнить минеральной изоляцией. Дополнительнопредлагается термоэлектроды выполнить из
платиносодержащего материала, а соломку и внутренний чехол из корунда. Минеральная изоляция может содержать порошок оксида алюминия или оксида магния.
Техническим результатом данного решения является повышение надежности термоэлектрического преобразователя.
Применение одноканальной соломки и разнесение мест стыков соломки на разных термоэлектродах уменьшает скорость загрязнения платинового электрода родием, испаряющимся с другого термоэлекгрода из-за значительного удлинения пути движения паров родия.
Заполнение пространства, расположенного между керамическими чехлами, минеральной изоляцией позволяет на порядок повысить теплопроводность зазора между чехлами и создать более щадящий режим работы наружного защитного чехла.
Таким образом достигается указанный технический результат.
На фиг. 1 представлено заявляемое устройство, где 1 - термоэлектроды, 2 - соломка, 3 - внутренний защитный чехол, 4 - минеральная изоляция, 5 - наружный защитный чехол, 6 - установочная арматура, 7 - клеммная головка.
Устройство работает следующим образом. Термоэлектрический преобразователь закрепляют на объекте в месте установочной арматуры 6 так, что бы наружный защитный чехол 5 находился в контакте с рабочей средой, температуру которой необходимо измерять, а клеммная головка 7 находилась бы вне измеряемой среды. Термоэлектроды 1 в клеммной головке 7 соединяют с компенсационными проводами, которые, в свою очередь, соединены со вторичной аппаратурой (на чертеже не показаны). При повышении температуры среды в месте спая термоэлектродов возникает термоЭДС, величина которой фиксируется
вторичной аппаратурой. При повышении температуры до значения, при котором начинает заметно испаряться материал термоэлектрода, например, родий, пары испарившегося материала большей частью конденсируются на соломке 2 и в меньшей степени (из-за большого пути движения паров от места испарения на одном термоэлектроде до места конденсации на другом, создаваемого соломкой, расположенной на термоэлектродах в шахматном порядке) переносятся на соседний термоэлектрод. При резких колебаниях температур наружный защитный чехол 5 противостоит термоударам. Минеральная изоляция 4, расположенная между защитными чехлами обеспечивает дополнительный теплоотвод от стенки наружного защитного чехла за счет теплопроводности в момент прохождения фронта температурной волны от измеряемой рабочей среды, улучшая стойкость наружного чехла к термоударам. При этом внутренний защитный чехол 3 работает в температурном режиме без резких термокачек. Вероятность возникновения микротрещин в материале внутреннего защитного чехла 3 значительно ниже, чем у наружного защитногочехла 5. Тем самым достигается надежная изоляция
термоэлектродов от воздействия рабочей среды и, следовательно, увеличивается рабочий ресурс термопары.
Источники информации
1.Термоэлектрический преобразователь ТПП-0679Е Екатеринбургского завода ОЦМ (черт. АРГЖ.0716.01.00.00СБ), ТУ-117-1-481-93.
2.Термоэлектрический преобразователь ТПР-0492 Чел.ябинского завода «Теплоприбор, ТУ 311-00226253.028-92