ТЕРМОПАРА С НАГРЕВОМ

Известна термопара, содержащая термоэлектроды, с одной стороны образующие спай, а с другой через узел разводки, подсоединительные провода, подключенные к источнику питания и через узел разводки и термоэлектродные провода к измерителю термо-ЭДС (Патент России 2289107 МПК3 G01K 7/0Термопара /Д.Э. Болтенко, Н.Н. Кирин, Э.А. Болтенко, В.П. Шаров // Заявка №2004123231 от 29.07.2004. Бюл. №34. 2006 г.).
Недостаток термопары в том, что она может быть выполнена в лабораторных условиях, когда нет необходимости защиты термопары от измерительной среды (вода, пар при высоких давлениях и температурах).
Известна кабельная термопара содержащая термоэлектроды, образующие спай, помещенные в стальную оболочку, заполненную электротехническим периклазом, закрытую стальной пробкой со стороны спая. (Термоэлектрические преобразователи температуры. Теория, практика, развитие / Под общей ред. А.В. Каржавина, - Изд. 2-е, доп. - Обнинск. - 2004. - 84 с).
Недостаток - использовать термопару для нагрева непосредственно невозможно ввиду большого сопротивления термоэлектродных проводов, а зона нагрева всегда больше зоны измерения.
Известна термопара с нагревом, содержащая термоэлектродные провода и спай, образующие измерительную зону и зону нагрева, помещенная в стальную оболочку, заполненную электротехническим периклазом, закрытую стальной пробкой со стороны спая, подключена к источнику питания и измерителю термоэдс, торец стальной оболочки закрыт силиконовым герметиком. (Патент РФ на полезную модель 174324 (51) МПК G01K 7/02, (2006.01) Термопара с нагревом спая/ Э.А. Болтенко, В.П. Шаров// Заявка №2017102303 от 24.01.2017, опубликовано 11.10.2017. Бюл. №29).
Основной недостаток термопары с нагревом спая состоит в том, что при изготовлении термопары сложно отделить зону измерения от зоны нагрева. Вследствие этого длина зоны обогрева, а соответственно мощность, выделяемая на участке зоны обогрева определяется с большой погрешностью.
Кроме того, сложно полностью отстроиться от помех, проходящих от источника переменного напряжения и соответственно отделить полезный сигнал от сигнала, поступающего от источника питания.
з.б
з.пр
з.б
з.пр
з.б
з.пр.
з.пр.
Предлагается термопара с нагревом, содержащая термоэлектродные провода и спай, образующие измерительную зону и зону нагрева, помещенная в стальную оболочку, заполненную электротехническим периклазом, закрытую стальной пробкой со стороны спая подключенная к источнику питания и измерителю термоэдс, торец стальной оболочки закрыт силиконовым герметиком, отличающаяся тем, что зона нагрева выполнена из разнородных материалов, отделена от измерительной зоны электроизолирующими слоями, причем электрическое сопротивление участка зоны нагрева, прилегающей к боковым стенкам оболочки термопары R, намного больше сопротивления участка зоны нагрева, прилегающей к стальной пробке R, R >> R, а термоэлектрический спай размещен на центральной оси термопары посередине зоны обогрева, где R - электрическое сопротивление зоны нагрева, прилегающей к боковым стенкам оболочки термопары, R - электрическое сопротивление зоны нагрева, прилегающей к стальной пробке R.
з.б
з.пр
з.б
з.пр
з.б
з.пр.
з.пр.
Технический результат, на который направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении точности определения температуры оболочки и надежности датчика, что достигается тем, что зона нагрева выполнена из разнородных материалов, отделена от измерительной зоны электроизолирующими слоями, причем электрическое сопротивление участка зоны нагрева, прилегающей к боковым стенкам оболочки термопары R, намного больше сопротивления участка зоны нагрева, прилегающей к стальной пробке R, R >> R, а термоэлектрический спай размещен на центральной оси термопары посередине зоны обогрева, где R - электрическое сопротивление зоны нагрева, прилегающей к боковым стенкам оболочки термопары, R - электрическое сопротивление зоны нагрева, прилегающей к стальной пробке R.
з.б
з.пр
з.б
з.пр
з.б
з.пр.
з.пр.
Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения температуры оболочки, обеспечивается за счет того, что электрическое сопротивление участка зоны нагрева, прилегающей к боковым стенкам оболочки термопары R, намного больше сопротивления участка зоны нагрева, прилегающей к стальной пробке R, R>>R, а термоэлектрический спай размещен на центральной оси термопары посередине зоны обогрева, где R - электрическое сопротивление зоны нагрева, прилегающей к боковым стенкам оболочки термопары, R - электрическое сопротивление зоны нагрева, прилегающей к стальной пробке R.
т
н
н.ст.
н.ст.
т
н
т
н.ст.
Термопара с нагревом используется при определении скорости (расхода) теплоносителя в трубе. Определение скорости осуществляется следующим образом. Измеряют температуру теплоносителя Т, нагревают термопару от источника тока, измеряют температуру Т термопары, определяют Т- температуру наружной стенки оболочки термопары, определяют разность ΔT=Т-Т, определяют скорость теплоносителя на основе предварительно полученной зависимости, связывающей скорость теплоносителя с физическими свойствами теплоносителя, геометрией участка, в котором проводят измерение, тепловым потоком с поверхности оболочки термопары где Т - температура термопары, установленной в центре зоны нагрева, Т - температура теплоносителя. Т- температура наружной стенки оболочки термопары, W - скорость теплоносителя.
Зависимость, связывающая скорость теплоносителя с физическими свойствами теплоносителя, геометрией участка, в котором проводят измерение скорости, тепловым потоком с поверхности наружной стенки оболочки, имеет следующий вид:
2
q - тепловой поток с поверхности наружной стенки термопары Вт/м;
f
f
1
2
q=W/F, где F - поверхность наружной стенки оболочки термопары; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя Вт/м°С; d - диаметр наружной стенки оболочки термопары м; ν - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м/с; Pr - критерий Прандтля; А, n, n, - коэффициенты, определяемые на основе опытных данных.
Зависимость получена на основе критериальной зависимости:
f
f
где Nu - критерий Нуссельта - , Прандтля Pr=ν/a, Рейнольдса,
f
н.ст.
т
н
з.б
з.пр
з.б
з.пр
Re=W d/ν, α - коэффициент теплоотдачи с наружной стенки оболочки. Как видно из (1) точность определения скорости (расхода) зависит в значительной степени от точности определения q и ΔT=Т-Т. Точность определения температуры оболочки термопары Т повышается за счет того, что электрическое сопротивление участка зоны нагрева, прилегающей к боковым стенкам оболочки термопары R, намного больше сопротивления участка зоны нагрева, прилегающей к стальной пробке R, R >> R, а термоэлектрический спай размещен на центральной оси термопары посередине зоны обогрева.
з.б
з.пр
з.б
з.пр
В нашем случае, участок зоны нагрева, прилегающей к боковым стенкам оболочки термопары R, выполнен из нихрома, участок зоны нагрева, прилегающей к стальной пробке R. выполнен из меди. Условие R >> R. соблюдено. Выполнение этого условия позволяет практически исключить выделение тепла на участке, прилегающем к стальной пробке, т.е. исключить тепло не участвующее в определении коэффициента теплоотдачи и скорости, правильно определить тепловой поток с оболочки, точно определить α - коэффициент теплоотдачи с поверхности зоны нагрева, а, следовательно достаточно точно определить скорость теплоносителя.
н
ст
н
ст.
эл.
Размещение термоэлектрического спая на центральной оси термопары посередине зоны обогрева позволяет достаточно точно определить перепад температур через оболочку, электроизоляцию и, соответственно, температуру наружной стенки оболочки Т..=Т+ΔТ+ΔТ,
н
ст
н
ст
эл.,
где Т. - температура наружной стенки оболочки, Т - температура в центре зоны нагрева, ΔТ - перепад температуры через стенку оболочки,. ΔТ - перепад температуры в слое электроизоляции. Достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности датчика, обеспечивается за счет того, что зона нагрева отделена от измерительной зоны электроизолирующими слоями, торец стальной оболочки закрыт силиконовым герметиком. Выполнение этих условий позволяет исключить замыкание на оболочку, исключает проникновение влаги из окружающей среды в периклаз.
На фиг. 1 показано схематичное изображение термопары с нагревом. Термопара с нагревом состоит термоэлектродных проводов 1, спая термопары 2, образованного термоэлектродами, выполненными из термоэлектродных материалов хромель - алюмель. Термоэлектродные провода 1, спай 2 помещены в стальную оболочку 3. В стальную оболочку 3 помещена также зона обогрева, состоящая из участка обогрева, прилегающего к оболочке 9, и участка обогрева, прилегающего к стальной пробке 10. Зона нагрева, включающая участки 9 и 10, подключена к источнику питания 5. Измерительная зона, включающая термоэлектродные провода и спай, подключена к измерителю термоэдс 6. Зона измерения и зона нагрева помещены в стальную оболочку 3, заполненную электротехническим периклазом 8. Стальная оболочка закрыта стальной пробкой 4. Зона нагрева выполнена из нихрома - участок 9 и меди - участок 10, отделена от измерительной зоны электроизолирующими слоями 11 и электротехническим периклазом 8.
н
н
ст
Термопара с нагревом работает следующим образом. Термопара помещается в канал, где производят измерение скорости теплоносителя (устанавливается нормально к набегающему потоку, либо навстречу потоку). Измеряют температуру теплоносителя. Нагревают зону обогрева за счет пропускания тока от источника питания. Поддерживают и фиксируют ток через зону обогрева на некотором фиксированном уровне. Измеряют температуру зоны нагрева Т, определяют расчетным путем тепловой поток с наружной стенки оболочки термопары и температуру наружной стенки оболочки Т.. Далее по зависимости (1) определяем скорость W и расход теплоносителя в канале.
В качестве примера рассмотрим измерение скорости воды в трубы. Термопара использовалась при измерении скорости воды в трубе. Термопара размещалась нормально потоку. Сопротивление зоны нагрева 0,3-0,5 ом, спай выполнен из термоэлектродов хромель алюмель.
2
Ток через зону нагрева изменялся в диапазоне 4- 5 А. Измерения показали, что термопара позволяет создать тепловой поток с наружной стенки оболочки q=150-200 кВт/м, обеспечивающий высокую чувствительность при измерении скорости в диапазоне 1-3 м/с.