СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В СРЕДЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING TEMPERATURE CHARACTERISTICS IN LIQUID METAL MEDIUM AND DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения полей температуры и ее статистических характеристик в среде жидкого металла, например в потоках жидкометаллического теплоносителя, в каналах охлаждения перспективных ядерных и термоядерных установок, или в замкнутых емкостях при изучении процессов турбулентного переноса путем перемешивания жидкого металла.
Ближайшим прототипом является полезная модель, описанная в работе «Шарнирный зонд для исследования полей температуры и скорости в потоках жидкометаллических теплоносителей», патент RU 157153 U1 от 20.11.2015.
Это устройство для измерения температуры и скорости основано на применении классической термопары в разных вариациях и представляет собой зонд с датчиком на конце, который вводится в поток теплоносителя навстречу течению. Координатный механизм, установленный на другом конце, перемещает датчик в двух взаимно перпендикулярных направлениях, позиционируя датчик в любую точку сечения потока за счет рычажного механизма. Зонд позволяет получать подробные поля температуры или скорости в зависимости от датчика.
Недостатком такой конструкции является: сложность изготовления миниатюрного датчика, пригодного по размерам для измерений в замкнутых объемах или в каналах с относительно небольшими размерами. Течение электропроводной жидкости в магнитном поле накладывает ограничения на размер датчика из-за возникновения «переднего следа», который искажает показания датчика, а в замкнутом объеме жидкости с нулевой усредненной по объему скоростью слишком большой датчик вносит возмущение в окружающую среду.
Техническая задача, решаемая изобретением в части способа - минимизация искажений вносимых измерительным элементом. Техническая задача достигается тем, что в известном способе определения температурных характеристик жидкого металла, основанным на использовании термоэлектрического эффекта (термопары), в качестве первого электрода выбран исследуемый жидкий металл.
Техническая задача, решаемая изобретением в части устройства - обеспечение контакта электрода с рабочей жидкостью в произвольной точке исследуемой области канала или замкнутого объема и достигается тем, что известное устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее измерительную систему, сосуд Дьюара, шток, один из двух электродов термопары, установленный на одном конце штока и механизм перемещения, установленный на другом конце штока, устройство ввода штока в исследуемую область, согласно изобретению, снабжено отводной трубкой, соединяющей исследуемый жидкий металл с гильзой с гермовводом, расположенную вне емкости с жидким металлом, помещенную в сосуд Дьюара, второй из электродов термопары через гермоввод также введен в гильзу с исследуемым жидким металлом.
Технический результат - повышение надежности определения температуры в среде жидкого металла за счет отсутствия необходимости в создании громоздкого датчика из двух разнородных металлов посредством сварки.
Сущность изобретения поясняется чертежом. Один из двух электродов термопары - 1, закрепленный на одном конце штока 2, установленный в измеряемой области с помощью устройства для ввода - 3. Жидкий металл соединен с гильзой - 4, находящейся в сосуде Дьюара - 5 с помощью отводной трубки - 6. Показания с места контакта электрода 1 и жидкого металла передаются на измерительную систему - 7, путем введения контакта через гермоввод 8. Механизм перемещения - 9, устанавливается на другом конце штока. Гильза и элементы устройства ввода изготавливаются из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Материал соединительной трубки выбирается в зависимости от жидкого металла. Если это ртуть, галлий или другие металлы с низкой температурой плавления, то возможно использования гибких шлангов из дюрита и др. с высокой степенью герметичности подключения. Если это металл с высокой температурой плавления, то трубку необходимо изготавливать из металла. Толщина вводимого электрода составляет порядка 10 мкм. Электрод изготавливается из твердого проводника, например капель или константан и закрепляется на штоке с помощью высокотемпературного клея. Из-за опасности выпадения примесей, электрод покрывается слоем меди толщиной несколько микрон с помощью напыления.
Электрод, закрепленный на штоке с одного конца с помощью устройства ввода, устанавливается в исследуемой области и с помощью механизма перемещения позиционируется в соответствии с программой эксперимента в заданную точку. Затем исследуемая область заполняется жидким металлом, который через соединительную трубку попадает в гильзу, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом. В месте контакта жидкого металла и электрода возникает термо-ЭДС в соответствии с эффектом Зеебека и после подачи питания на измерительную систему этот сигнал по компенсационным проводам передается на измерительную систему, затем электрод перемещается в следующую точку. Надежность измеряемых данных обеспечивается миниатюрностью электрода, а безопасность при работе с жидким металлом - герметичностью конструкции.