СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТРУБЫ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
METHOD OF MEASURING TUBE INNER SURFACE TEMPERATURE AND DEVICE TO THIS END

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение касается способа измерения температуры внутренней поверхности трубы и соответствующего устройства.
Новый способ позволяет измерять температуру внутренней поверхности трубы и одновременно контролировать давление контакта между чувствительными элементами и указанной поверхностью. Таким образом, благодаря способу в соответствии с настоящим изобретением и в зависимости от предусматриваемых случаев, можно получить температурное поле, выделенное в дискретном виде в пространстве (в случае стационарного испытания), или кинетику изменения температуры в числе точек, соответствующем числу чувствительных зон на зонде в соответствии с настоящим изобретением.
Уровень техники
Получение температурного поля на внутренней поверхности трубы представляет собой важную информацию при экспериментальных исследованиях в области термогидравлики. Действительно, его точное знание позволяет производить точную оценку коэффициента теплообмена при выявлении областей фазового превращения (конденсация, испарение), при локализации ухудшенной или измененной зоны температурного перехода. Вместе с тем, получение измерения температуры поверхности в замкнутом пространстве, такой как внутренняя поверхность трубы, является исключительно сложным, и экспериментатор часто вынужден ограничиваться частичной и устаревающей информацией.
В настоящее время данные о температуре получают путем применения подвижных зондов с термопарами, прижимаемыми к внутренней стенке трубы при помощи пружины. Следовательно, прилагаемое усилие меняется в зависимости от положения измерения.
Из публикации под названием "Heat Transfer Studies With Candu Fuels Simulators", изданной под номером 2428 по случаю конференции, состоявшейся во время "5th International Conference on Nuclear Engineering ICONE5" с 26 по 30 мая 1997 года, известен зонд, содержащий термочувствительные элементы, выполненные из Inconel в виде оболочек. Естественная гибкость этих чувствительных элементов позволяет им действовать наподобие пружин, и, таким образом, каждый из них входит в контакт с внутренней поверхностью трубы, температуру которой необходимо измерить. Однако такой зонд не позволяет контролировать усилие контакта между чувствительными элементами и внутренней поверхностью трубы, так как оно зависит только от естественной гибкости этих элементов.
В связи с этим настоящее изобретение преследует цель уменьшения и упорядочения погрешности, связанной с разным контактным сопротивлением на всей поверхности измерения.
Другой задачей настоящего изобретения является уменьшение износа контактной зоны чувствительного(ых) элемента(ов) зонда, используемого для измерений, во время перемещений внутри трубы и, следовательно, увеличение срока службы зонда.
Раскрытие изобретения
В связи с этим объектом настоящего изобретения является способ измерения температуры внутренней поверхности трубы, в котором осуществляют следующие этапы:
а) по меньшей мере, один термочувствительный элемент зонда отводят в радиальном направлении относительно его оси вращения (XX'), чтобы он(и) вошел(вошли) в контакт с внутренней поверхностью трубы,
б) усилие контакта, прикладываемое между чувствительным(ыми) зондом и внутренней поверхностью, увеличивают, пока оно не достигнет определенного значения в любой точке указанной поверхности, при этом контактное усилие является постоянным и воспроизводимым, независимо от точки внутренней поверхности S, в которой требуется произвести измерение температуры.
Под «термочувствительным(и) элементом(ами)» зонда в данном случае и в рамках настоящего изобретения следует понимать часть(и) зонда, материал которой(ых) обладает свойством (электрическое сопротивление, электродвижущая сила...), меняющимся в зависимости от температуры, которая действует на нее(них) при контакте.
Так, речь может идти о части(ях) термометра с платиновым резистором, термистора, выполненного из полупроводникового материала, термопар и т.д.
Согласно изобретению, на измеряемой поверхности перемещают миниатюрный(ые) термометр(ы). Этот(эти) термометр(ы) (термопара(ы), зонд(ы) с платиновым резистором, термистор(ы)) неподвижно соединены между собой зондом, и их соединяют с внутренней поверхностью трубы либо напрямую, либо при помощи специального контактного элемента с ограниченной термической инерцией, контролируя при этом контактное усилие и, следовательно, термическое контактное сопротивление. Материал, используемый для изготовления этого контактного элемента, должен обладать максимально высокой теплопроводностью, чтобы сократить время температурной стабилизации зонда. В случае зондов, используемых под электрическим потенциалом, материал должен быть также электрическим изолятором. Предпочтительно речь может идти об алмазе. Речь может также идти о нитриде алюминия или нитриде бора.
Возможность перемещения измерительного инструмента позволяет собирать более полную и/или более точечную информацию. Контроль контактного усилия приводит к ослаблению термического контактного сопротивления и, следовательно, к уменьшению погрешности измерения. Исключение контакта с измеряемой трубой во время перемещения устраняет влияние трения на износ контактных элементов и трубы, ограничивая тем самым изменение во времени термического сопротивления и ухудшение поверхности измерения.
Согласно изобретению, управляют контактным давлением чувствительного(ых) элемента(ов) на цилиндр, на котором измеряют температурное поле. Изобретение можно адаптировать для любого диаметра трубы, для любого условия температуры, доступной для измерения при помощи термопары, зонда с платиновым резистором или термистора, путем адаптации материалов, выбираемых для выполнения корпуса зонда.
Основным преимуществом является воспроизводимость измерений температуры от одной точки поверхности к другой за счет упорядочения контактного сопротивления, с одной стороны, и, с другой стороны, благодаря снижению износа во времени (за счет того, что во время фаз перемещения внутри трубы контакт зонд/стенка исключен).
Предпочтительно, когда зонд перемещают внутри трубы, ослабляют усилие, действующее со стороны чувствительного(ых) элемента(ов) на внутреннюю поверхность трубы. Предпочтительно ослабление усилия производят таким образом, чтобы не оставалось никакого контакта между чувствительным(и) элементом(ами) зонда и внутренней поверхностью трубы.
Объектом настоящего изобретения является также устройство измерения температуры внутренней поверхности трубы, содержащее:
зонд с осью вращения, содержащий, по меньшей мере, один термочувствительный элемент со свободным концом, расположенным параллельно продольной оси;
- средства для отвода свободного конца чувствительного(ых) элемента(ов) в радиальном направлении по отношению к оси;
- средства для приложения усилия к свободному концу радиально отводимого(ых) чувствительного(ых) элемента(ов), при этом контактное усилие является постоянным и воспроизводимым, независимо от точки внутренней поверхности S, в которой необходимо произвести измерение температуры.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, устройство содержит множество чувствительных элементов, отстоящих друг от друга, свободный конец каждого из которых является параллельным оси.
Предпочтительно зонд содержит полый корпус, и чувствительные элементы предпочтительно выполнены в виде множества гибких металлических проводов. Один конец каждого из этих элементов закреплен в полом корпусе, а другой конец является свободным и загнут наружу.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, средства отвода гибких металлических проводов и создания определенного усилия на их свободном конце содержат:
- пластину шириной L, образующую поршень, через который проходят провода,
- сильфон, закрепленный на поршне и на полом корпусе, образующий с ними герметичную камеру, выполненную с возможностью сообщения с устройством повышения давления,
- гибкие язычки, каждый из который содержит один конец, закрепленный на полом корпусе таким образом, чтобы между ними оставался промежуток L, и свободный конец, неподвижно соединенный снаружи со свободным концом провода и изнутри с упором. Таким образом, согласно изобретению, для осуществления фаз измерения устройство повышения давления создает давление заранее определенного значения в герметичной камере. Это приводит к осевому перемещению поршня, закрепленного на сильфоне, и, таким образом, к соответствующему радиальному отводу свободных концов язычков и свободных концов проводов до положения, соответствующего положению опоры поршня на упоре. Затем это приводит к увеличению усилий, прикладываемых к поршню, которые передаются на свободные концы проводов через упор и через неподвижно соединенную с ним наружную часть язычков, до момента достижения заранее определенного давления.
Предпочтительно пластина, образующая поршень, и упор имеют соответствующие друг другу формы усеченного конуса.
Согласно варианту, устройство содержит груз, содержащий выемку, в которую заходит свободный конец чувствительного элемента, при этом материал груза обеспечивает термическую непрерывность между деталью, находящейся в контакте с ним снаружи, и чувствительным элементом. Кроме того, предпочтительно материал груза обеспечивает электрическую изоляцию между деталью и чувствительным элементом.
Наконец, объектом настоящего изобретения является использование описанного выше устройства для измерения температуры внутренней поверхности труб экспериментальной установки, моделирующей за счет прямого эффекта Джоуля выделение энергии ядерными топливными элементами. Эти трубы экспериментальной установки, например, выполненные из Inconel, имеют такие же размерные характеристики, что и ядерные топливные элементы.
В целом, благодаря изобретению, можно предусмотреть любое применение термометрических измерений в трубах с доступной внутренней поверхностью.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематичный вид в продольном разрезе части зонда варианта выполнения устройства измерения температуры в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2А и 2В - соответственно вид в продольном разрезе и в перспективе части зонда варианта выполнения устройства измерения температуры в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
На фиг.1 в продольном разрезе показан зонд So в соответствии с настоящим изобретением, вставленный в вертикальном положении в трубу Т и содержащий три чувствительных элемента, расположенных с равномерным угловым шагом 120°. Труба Т выполняет функцию имитации ядерного топливного элемента: она может быть нагревательной или нет.
Зонд So с осью вращения XX' в основном содержит полый корпус 1, 2, 3, термочувствительные элементы 8 и измерительную головку 4, 5, 6, 7, 9.
В представленном варианте выполнения предусмотрено тепло- и/или электроизоляционное кольцо 10. Это изоляционное кольцо 10 защищает корпус 1 от любого контакта с внутренней поверхностью S трубы Т во время его введения и его перемещения внутри этой трубы. Зонд So предназначен также для защиты от короткого замыкания (если труба Т находится под напряжением) и для ограничения утечек тепла от трубы Т к зонду So.
В представленном варианте выполнения полый корпус 1 зонда So состоит из двух частей, а именно: из главного корпуса 2 и вспомогательного корпуса 3 в виде цилиндра, герметично закрепленного внутри главного корпуса.
Как показано на фигурах, главный корпус 2 выполнен в виде трубки, которая одновременно выполняет следующие функции:
- передача движения от не показанного устройства перемещения,
- направление возврата описанных ниже термочувствительных элементов 8,
- создание объема повышения давления внутри зонда.
Как показано на фигурах, вспомогательный корпус 3 является цилиндром, герметично закрепленным внутри главного корпуса 2. Этот вспомогательный корпус одновременно выполняет следующие функции:
- уменьшение габаритов главного корпуса 2 зонда So, чтобы закрепить прижимные язычки 5, описанные ниже,
- высвобождение достаточного пространства для установки на место контактного груза 7, который будет описан ниже,
- установка на место контрольной поверхности для герметичного крепления описанного ниже опорного сильфона 6.
Полый корпус 1 соединяют в его нижней части с описанной ниже измерительной головкой 4, 5, 6, 7, 9, а в его верхней части - с не показанным устройством повышения давления.
Часть, образующая измерительную головку, прежде всего, содержит венец 4 позиционирования. Как показано на чертеже, венец является цилиндром 4, закрепленным и центрованным на вспомогательном корпусе 3. Прижимные язычки 5 крепят на венце 4. Для каждого чувствительного элемента 8 положение необходимо знать максимально точно. Действительно, поскольку ставится задача измерения поверхностного температурного поля, необходимо контролировать три измерения: температуру, а также осевое положение (относительно данной точки отсчета на исследуемой и измеряемой трубе) и угловое положение (относительно конкретной образующей исследуемой и измеряемой трубы). Следовательно, позиционирование грузов при помощи прижимных язычков 5 является важным параметром.
Угловое позиционирование определяется:
- наружным диаметром кольца 4 в варианте выполнения, показанном на фиг.1,
- отверстиями 111, выполненными в кольце в варианте выполнения, показанном на фиг.2А и 2В.
Прижимные язычки 5 выполнены, каждый, в виде упруго деформирующейся гибкой пластинки, закрепленной на венце 4 позиционирования. С одной стороны, они предназначены для передачи опорного усилия от поршня 9 на контактный груз 7 во время фаз измерения и, с другой стороны, для приведения контактного груза в центральное пространство трубы Т во время фаз перемещения зонда So, чтобы избежать контакта между наружной поверхностью грузов 7 и внутренней поверхностью трубы Т. Язычки 5 отстоят друг от друга на угол 120° (см. фиг.1 и фиг.2А и 2В).
Как будет показано ниже, передачу усилия обеспечивает упор 52, на который опирается поршень 9, и седло 70 контактного груза 7.
Измерительная головка содержит также сильфон 6, который образует деформирующийся элемент герметичной камеры, образованной полым корпусом 2, 3 и описанным ниже поршнем 9. Во время фаз измерения в этой герметичной камере создается давление устройством повышения давления, с которым она сообщается, что будет описано ниже. Повышение давления приводит к перемещению поршня 9 и, следовательно, к созданию усилия прижатия контактных грузов 7 к трубе Т.
Упомянутые контактные грузы 7 удерживают чувствительные элементы 8 зонда в контакте с внутренней стенкой трубы Т или топливного элемента. Материал этих грузов 7 обеспечивает термическую непрерывность между чувствительными элементами 8 зонда и трубой Т. В случае необходимости, материал грузов 7 может обеспечивать электрическую изоляцию между этими элементами 8 и трубой Т. Предпочтительно материалом грузов является алмаз. Материалом может быть также нитрид бора или нитрид алюминия.
Как показано на чертеже, каждый груз содержит выемку 700, в которую устанавливают свободный конец 80 чувствительного элемента 8.
Каждый из показанных грузов 7 имеет форму цилиндрического венца с внутренней выемкой. Эта форма обеспечивает одинаковый поверхностный контакт в любой точке поверхности S, температуру которой необходимо измерить. В частных вариантах выполнения, показанных на фиг.1 и фиг.2А и 2В, осевой температурный градиент является незначительным (менее 10°С/м, то есть 0,01°С/мм), выполнение контактного элемента цилиндрическим (груз 7) позволяет увеличить поверхность контакта и, таким образом, сократить время температурной стабилизации груза 7 без существенного ухудшения точности измерения.
Как было указано выше, измерительная головка содержит также отстоящие друг от друга чувствительные элементы 8, каждый из которых содержит свободный конец 80, выполненный параллельно продольной оси XX'. Как показано на чертеже, чувствительные элементы 8 выполнены в виде множества гибких металлических проводов, каждый из которых содержит конец 81, закрепленный в главном полом корпусе 2, и свободный конец 80, загнутый наружу.
Наконец, измерительная головка содержит поршень 9, который выполняет следующие функции:
- передача усилия, приложенного к его верхней стороне за счет давления на внутреннюю сторону зонда So, на контактный груз 7 через прижимные язычки 5 и их упор 52,
- непрерывность герметичной камеры, в которой создано давление. Как показано на чертеже, поршень 9 и упор 51 имеют комплементарные формы усеченного конуса.
Для осуществления измерений показанный зонд So работает следующим образом. Устройство повышения давления создает в герметичной камере заранее определенное давление. Это приводит к осевому перемещению поршня 9, закрепленного на сильфоне 6, и, следовательно, к соответствующему радиальному отводу свободных концов 50 язычков 5 и свободных концов 80 проводов 8 до соответствующего положения упора поршня 9 в упор 52. После этого происходит увеличение усилий, прилагаемых к поршню 9, которые передаются на свободные концы 80 проводов 8 через упор 52 и наружную часть неподвижно соединенных с ним язычков 5 до момента достижения заранее определенного давления (фиг.1). Заранее определенное давление калибруют предварительно в зависимости от размеров зонда, внутренних размеров трубы и т.д. Независимо от положения точки, в которой измеряют температуру Т°, вдоль исследуемой трубы, заранее определенное давление является идентичным. Кроме того, необходимо избегать такого давления, которое могло бы привести к сплющиванию между контактными поверхностями (груз 7/внутренняя поверхность S на фигурах).
Прикладываемое контактное усилие между контактным грузом 7 и внутренней поверхностью S трубы Т является постоянным и контролируемым: оно прямо пропорционально заранее определенному давлению, создаваемому устройством повышения давления, сообщающимся с полым корпусом. Таким образом, независимо от положения точки внутренней поверхности S, в которой необходимо измерить температуру, усилие контакта является постоянным и воспроизводимым. Иначе говоря, согласно изобретению, погрешность измерения от одной точки поверхности S к другой уменьшается, благодаря контролю усилия контакта, который приводит к ослаблению контактного термического сопротивления.
Во время перемещений зонда So в трубе Т давление в герметичной камере, образованной полыми корпусами 2, 3 и узлом сильфон 6/поршень 9, понижается таким образом, чтобы не было никакого контакта между грузами 7 и внутренней поверхностью S. Кроме того, согласно изобретению, следят за тем, чтобы сближение грузов 7 между собой было достаточным во время перемещения зонда So, чтобы избежать любого случайного контакта с поверхностью S. Таким образом, увеличивают срок службы грузов 7 и, следовательно, зонда So.
В варианте выполнения, показанном на фиг.2А и 2В, измерительная головка в соответствии с настоящим изобретением прежде всего содержит корпус 1, предпочтительно выполненный из нержавеющей стали в виде полого цилиндра. Его основной функцией является направление и защита от электрического потенциала.
Вокруг корпуса 1 коаксиально расположено кольцо 10, предпочтительно выполненное из керамического материала на основе глинозема. На конец корпуса 1 посажено кольцо 11, которое осуществляет блокировку поступательного движения кольца 10. Это моноблочное кольцо 11 предпочтительно заменяет две детали 3 и 4 варианта выполнения, показанного на фиг.1.
На это кольцо 11 посажен сильфон 6. Эту посадку, так же как и посадку кольца 11 на полый корпус 1 выполняют герметично, например, с использованием технологии пайки. Полученная герметичность обеспечивает герметичность камеры повышения давления, образованной устройством повышения давления, внутренним пространством полого корпуса 1, внутренним пространством кольца 11 и внутренним пространством сильфона 6.
Как показано на фиг.2А и 2В, поршень 9 выполнен заодно с сильфоном 6, что позволяет уменьшить количество деталей по сравнению с вариантом выполнения, показанным на фиг.1. Кроме того, чувствительные элементы (не показанные на фиг.2А и 2В) проходят через отверстия, выполненные на периферии кольца 11 (см. отверстия 111) и кольца 10 (отверстия напротив отверстий 111 не показаны). Таким образом, по сравнению с вариантом, показанным на фиг.1, между чувствительными элементами и поршнем 9 можно не обеспечивать герметичность, так как указанные элементы через поршень не проходят.
В варианте выполнения, показанном на фиг.2А и 2В, упоры 52 или седла поршня содержат сквозное отверстие 520, дополнительно обеспечивающее направление чувствительных элементов на части их высоты. Разумеется, согласно этому варианту выполнения, между внутренней поверхностью S исследуемой трубы Т и указанными упорами 52 не может быть никакого контакта. Кроме того, согласно этому варианту, предусмотрена дополнительная соединительная деталь 53 для соединения седла 70 груза и упора 52. Материал этой дополнительной детали 53 выбирают таким образом, чтобы избежать появления термического мостика между этими двумя деталями.
Не выходя за рамки настоящего изобретения, можно предусмотреть и другие варианты. Так, устройство в соответствии с настоящим изобретением может содержать следующие отличительные признаки, взятые отдельно или в комбинации:
- показанный на чертеже с множеством чувствительных элементов 8 (в продольном разрезе показаны два элемента) зонд в соответствии с настоящим изобретением может содержать только один чувствительный элемент 8, показанный на фиг.1 в виде скрепленных между собой двух отдельных деталей узел прижимные язычки 5/ венец 4, согласно способу изготовления, может быть выполнен в виде моноблочной детали,
- в зависимости от варианта выполнения, размеров и материалов зонда So грузы 7 из монтажа можно исключить,
- чувствительные элементы 8 зонда So могут быть выполнены в разных вариантах (термопары, термометры с платиновым резистором, термисторы и т.д.).