ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТОДОМ КРАТКОВРЕМЕННОГО ПОГРУЖЕНИЯ В ТЕРМОМЕТРИРУЕМУЮ СРЕДУ

Полезная модель относится к термометрии и может быть использована для контроля температуры жидких расплавов цветных металлов, например, алюминия или криолита, в плавильных печах, ковшах и других агрегатах.
Известен термоэлектрический преобразователь для измерения температуры термометрируемых сред, содержащий кабельную термопару, рабочая часть которой помещена в защитный наконечник, выполненный в виде металлического стержня с глухим отверстием и оснащенный узлом крепления. Защитный наконечник имеет номинальный размер внутреннего диаметра, равный номинальному размеру наружного диаметра рабочей части кабельной термопары. Отличительной особенностью прототипа является то, что кабельная термопара имеет размер наружного диаметра рабочей части не более 2 мм, а толщина стенки защитного наконечника имеет размер не более 0,9 мм и дополнительно его - защитного наконечника - наружная поверхность покрыта защитным материалом /RU 111289, G01K 7/02, 2011/. Недостатком данного преобразователя является то, что в качестве защитного покрытия применяются неметаллические материалы типа нитрида бора, оксида алюминия, нанесенные методом плазменного напыления на поверхность наконечника. Процесс напыления требует наличия дорогостоящего оборудования, что приводит к существенному удорожанию преобразователя. Значительная разница в коэффициентах термического расширения материалов покрытия и наконечника может приводить к возникновению трещин в материале покрытия при резких теплосменах. Кроме того, покрытия из указанных материалов подвержены разрушению от механического воздействия и(или) деформации наконечника. Указанные факторы в свою очередь, при толщине стенки наконечника менее 0,9 мм, приводят к быстрому разрушению термопреобразователя.
Известен термоэлектрический преобразователь для измерения температуры методом кратковременного погружения в термометрируемую среду, принятый в качестве прототипа, изготовленный из кабельной термопары, рабочая часть которой помещена в защитный наконечник, выполненный в виде металлического стержня с глухим отверстием и оснащенный узлом крепления к измерительной штанге, при этом, кабельная термопара имеет номинальный размер наружного диаметра рабочей части от 1 мм до 2 мм, а защитный наконечник имеет номинальный размер внутреннего диаметра, равный номинальному размеру наружного диаметра рабочей части термопары, причем толщина стенки защитного стержня имеет размер от 1 мм до 2 мм /RU 66040, G01K 7/02, 2007/. Недостатком данного преобразователя является наличие термического сопротивления между наконечником и рабочим спаем кабельной термопары, возникающего из-за характера организации контакта между ними, определяющего время термической реакции термопреобразователя.
Авторы решали задачу по созданию термоэлектрического преобразователя для измерения температуры методом кратковременного погружения в термометрируемую среду, лишенного указанных недостатков. Технический результат заключается в снижении времени термической реакции термоэлектрического преобразователя, приводящем к увеличению ресурса его работы с одновременным повышением его надежности и снижением стоимости.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается термоэлектрический преобразователь для измерения температуры методом кратковременного погружения в термометрируемую среду, изготовленный из кабельной термопары, включающей термоэлектроды и металлическую оболочку, рабочая часть которой помещена в защитный металлический наконечник. Отличительной особенностью предлагаемого термоэлектрического преобразователя является то, что рабочий спай преобразователя представляет собой сплав из концевых частей оболочки кабеля, термоэлектродов и наконечника.
Предпочтительно рабочий спай выполнить диаметром равным наружному диаметру наконечника и глубиной находящейся в пределах от 10% до 80% наружного диаметра наконечника.
Дополнительно предлагается на наконечнике установить кольцо для указания предельной глубины его погружения.
Дополнительно предлагается термоэлектрический преобразователь оснастить узлом крепления к измерительной штанге.
Выполнение рабочего спая преобразователя в виде сплава из концевых частей оболочки кабеля, термоэлектродов и наконечника позволяет не менее чем в два раза сократить показатель его инерционности по отношению к прототипу, что приводит к увеличению ресурса, при этом преобразователь лишен и недостатков присущих преобразователю по патенту RU 111289. Таким образом, достигается технический результат.
На фиг.1 представлен общий вид термоэлектрического преобразователя, на фиг.2 показана в разрезе рабочая часть термоэлектрического преобразователя до оплавления рабочего спая, на фиг.3 представлена рабочая часть термоэлектрического преобразователя после оплавления рабочего спая, где 1 - кабельная термопара, 2 и 3 - , термоэлектроды, 4 - металлическая оболочка кабельной термопары, 5 - защитный металлический наконечник, 6 - рабочий спай, 7 - кольцо для указания предельной глубины погружения, 8 - узел крепления к измерительной штанге. На фиг.3 видно что диаметр рабочего спая и наружный диаметр наконечника совпадают по величине D. Глубина рабочего спая W находится в интервале 0,1D≤W≤0,80D.
Рабочую часть темоэлектрического преобразователя изготавливают следующим образом. В открытом с торца термопарном кабеле зачищают термоэлектроды 2 и 3, кабель вставляют в защитный наконечник 5 так, чтобы торец оболочки 4 кабеля находился в одной плоскости с торцами термоэлектродов 2, 3 и торцом защитного наконечника 5 (фиг.2). Далее аргонодуговой сваркой сплавляют концевые части оболочки кабельной термопары 4, термоэлектродов 2, 3 и защитного наконечника 5 превращая их в единый конгломерат, образующий рабочий спай 6 (фиг.3). Открытый торец защитного наконечника 5 обжимают на кабельной термопаре 1. Затем на защитном наконечнике сваркой закрепляют кольцо для указания предельной глубины погружения 7 и узел крепления к измерительной штанге 8.
Устройство работает следующим образом. Термоэлектрический преобразователь при помощи узла крепления 8 присоединяют к измерительной штанге (на чертеже не показана) и погружают защитный наконечник 5 в термометрируемую среду до ограничительного кольца 7 на 3÷5 секунд. Указанного времени достаточно для наступления теплового равновесия между рабочим спаем термопары и термометрируемой средой. Вторичный прибор автоматически запоминает максимальное значение температуры, достигнутое в процессе замера.
Для доказательства достижения технического результата были проведены сравнительные испытания термоэлектрических преобразователей, выполненных из одинаковых термоэлектрических кабелей с защитными металлическими наконечниками одинаковой толщины. В первом случае три термоэлектрических преобразователей были оснащены защитными наконечниками, выполненными в виде металлического стержня с глухим отверстием, во втором случае были использованы пять заявляемых термоэлектрических преобразователей. Определение показателя тепловой инерции (ПТИ) производилось в соответствии с требованиями ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия». Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Номера преобразователей
Время термической реакции, сек.
термоэлектрические преобразователи (прототип)
Заявляемые термоэлектрические преобразователи
1/1
1,8
0,8
2/2
1,8
0,9
3/3
2,2
0,7
-/4
-
0,7
75
-
0,8
Среднее значение
1,93
0,78