ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ С УСТАНОВОЧНЫМ УСТРОЙСТВОМ
PIPELINE SURFACE TEMPERATURE MEASURING DEVICE WITH THE INSTALLATION DEVICE

Группа изобретений предназначена для непрерывного измерения и регистрации температуры наружной поверхности трубопроводов с большой точностью и быстрой заменой датчиков температуры аттестованными датчиками, транспортирующих рабочие жидкие среды или сырье, другие различные текучие агенты.
1.1 Известно измерительное устройство температуры поверхности трубопроводов, состоящее из датчика температуры, выполненного в виде зонда из пары термоэлектродов, выводы которых закреплены на сердечнике. Спай термоэлектродов приварен к пластинчатой пружине, которая прикреплена к изолированному сердечнику и вместе с термоэлектродами встроен в цилиндр. В цилиндр впрессована обойма из пластмассы, в которую коаксиально впрессован держатель в виде металлической трубки, в которой проложен кабель и к жилам которого присоединены выводы термоэлектродов, расположенные на сердечнике. См. описание к патенту RU №2393442, опубл. 27.06.2010 в Бюл. №18. Однако габариты чувствительного элемента не позволяют его использовать в установочных устройствах малого сечения, и к тому же держатель имеет жесткую конструкцию.
1.2. Известно принятое за прототип измерительное устройство температуры поверхности трубопроводов, включающее датчик температуры, выполненный из цилиндрического корпуса со ступенчатым сквозным отверстием, на конце которого с одной стороны расположен чувствительный элемент, а с другой заглушка с отверстием вдоль продольной оси для прохождения термопарного кабеля, а между узлами герметизации и внутреннее пространство корпуса заполнено уплотнительной засыпкой. Заглушка имеет два глухих отверстия под установку неразъемным соединением двух концов проволок, которые расположены с двух диаметрально противоположных сторон термопарного кабеля, прижатый к нему трубкой и все вместе находятся в оплетке, составляя кабель. Конец оплетки развальцован и прижат через шайбу упорной гайкой к торцу корпуса. При этом шайба неразъемно соединена с концом оплетки. На свободный конец гибкого кабеля устанавливается разъем для подключения к аппаратуре для съема показателей. Таким образом, трубка вместе с проволоками и оплеткой составляет кабель передачи измерений от головки датчика температуры до аппаратуры съема показаний через разъем и одновременно является зондом датчика температуры. См. описание к патенту RU №2494357, опубл. 27.09.2013 в Бюл. №27. Хотя данный датчик температуры выполнен в виде измерительного зонда на гибком держателе, его габариты не позволяют его использовать в установочных устройствах малого сечения для измерения наружного диаметра трубы измерения проходящих газов.
2.1 Известно установочное устройство измерительного устройства температуры поверхности трубопроводов, которое состоит из металлического основания, металлического цилиндра со сквозным отверстием внутри, приваренного к основанию; с наконечником в виде шестигранника для установки датчика температуры, при этом металлическое основание располагается на трубе с теплоносителем и является теплоприемником. Основание выполнено в виде металлической прямоугольной пластины в плане, согнутой по радиусу, соответствующему  наружного диаметра трубы, и, следовательно, соприкасающаяся часть основания соответствует наружному диаметру трубы с теплоносителем. Соприкасающаяся с трубой часть основания на наружной поверхности имеет две проточки с обеих сторон от установленного на основании металлического цилиндра для крепления теплоприемника к трубе двумя хомутами. При этом вертикальная ось сквозного отверстия металлического цилиндра теплоприемника перпендикулярна образующей наружного диаметра трубы и образующей, соприкасающейся с трубой части основания, расположенной вдоль трубы. См. www.elemer.ru Видеоролик «Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом», лист 2.
К недостаткам такого установочного устройства следует отнести невысокую точность измерения с помощью датчиков температуры, устанавливаемых в данное установочное устройство. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, установочное устройство после установки в него датчика температуры обеспечивает возможность теплового контакта защитного корпуса датчика температуры с трубой только через дно защитного корпуса и при этом не через всю поверхность дна, а только по линии касания дна защитного корпуса и поверхности трубы с теплоносителем. Учитывая наличие неровностей как на поверхности трубы с теплоносителем в месте расположения установочного устройства, так и неплоскостность дна защитного корпуса датчика температуры, можно говорить о том, что тепловой контакт между дном защитного корпуса датчика температуры и поверхностью трубы осуществляется только в отдельных точках. Вся остальная часть дна защитного корпуса датчика температуры «висит» в воздухе. Другими словами, можно считать, что датчик температуры измеряет не температуру поверхности трубы, а температуру окружающей данную трубу среды (воздуха). Наличие в конструкции установочного устройства цилиндра, выполненного из металла, приводит к появлению эффекта отвода тепла по телу цилиндра из зоны расположения установочного устройства из-за наличия перепада температур между поверхностью трубы с теплоносителем и окружающей средой (воздухом). Так как тепло отводится из зоны расположения установочного устройства, а следовательно, и из зоны, в которой установлен датчик температуры, то температура поверхности трубы в этой зоне становится ниже, чем действительная температура поверхности трубы с теплоносителем.
2.2 Известно принятое за прототип установочное устройство для измерительного устройства температуры поверхности трубопроводов, которое состоит из металлического основания, являющееся одновременно теплоприемником металлической цилиндрической втулки и теплоизоляционной втулки. Теплоприемник установочного устройства, выполнен в виде прямоугольной пластины в плане, согнутой вдоль меньшей стороны пластины по радиусу, соответствующему  наружного диаметра трубы, с глухим ступенчатым отверстием в геометрическом центре выпуклой поверхности основания. Дно глухого ступенчатого отверстия - плоское. Больший диаметр ступенчатого отверстия равен наружному диаметру металлической цилиндрической втулки, меньший диаметр ступенчатого отверстия равен внутреннему диаметру металлической цилиндрической втулки и внутреннему диаметру теплоизоляционной втулки. На выпуклой поверхности основания, вдоль меньшей его стороны, выполнены две проточки для обеспечения возможности закрепления основания на трубе с теплоносителем с помощью хомутов. Металлическая цилиндрическая втулка соединена неразъемным способом, например сваркой, с металлическим основанием. Длина металлической цилиндрической втулки меньше длины теплоизоляционной втулки. Теплоизоляционная втулка установлена на наружную поверхность металлической цилиндрической втулки до соприкосновения с ее верхней торцевой поверхностью и зафиксирована на ней с помощью клеевого или резьбового соединения, для чего на сопрягаемых поверхностях металлической цилиндрической втулки и теплоизоляционной втулке может быть выполнена резьба. Совмещенные по вертикальной оси перпендикулярной поверхности трубы измерения глухое отверстие меньшего диаметра ступенчатого отверстия в металлическом основании и сквозные отверстия металлической цилиндрической втулки и теплоизоляционной втулки вместе образуют канал, в который вставляется датчик температуры. Длина теплоизоляционной втулки вместе с основанием, как правило, равна высоте теплозащитного покрытия. См. описание к патенту RU №2561797, опубл. 10.09.2015 в Бюл. №25. Данное установочное устройство легко монтируется на трубе с теплоносителем с помощью двух хомутов, обеспечивает возможность демонтажа установленного в нем датчика температуры для проведения регламентных работ без нарушения целостности датчика температуры и теплоизоляции, нанесенной на трубу. При наличии теплоизоляции, нанесенной на трубу с теплоносителем и на установочное устройство, демонтаж датчика температуры из установочного устройства не приводит к нарушению теплоизоляции трубы. К недостаткам такого установочного устройства следует отнести невысокую точность измерения с помощью датчиков температуры, устанавливаемых в данное установочное устройство, особенно при эксплуатации подобных труб без их теплоизоляционного слоя. К недостаткам такого теплоприемника следует отнести невысокую точность измерения из-за удаления и неплотного прилегания чувствительного элемента датчика температуры к теплоприемнику. Во-вторых, наличие в конструкции теплоприемника цилиндра, выполненного из металла, приводит к появлению эффекта отвода тепла по телу цилиндра из процесса измерения.
Теплоизоляционная втулка установлена на наружную поверхность и задерживает отвод тепла наружу, но наличие металлической цилиндрической втулки в виде цилиндра, приводит к появлению эффекта отвода тепла по телу цилиндрической втулки из процесса измерения. Расстояние между арматурой датчика измерения и чувствительным элементом в данном случае позволяет обнаружить влияние окружающей среды на процесс измерения и чем больше разность температур между окружающей средой арматуры датчика измерения и действительной температурой протекающей в трубопроводе среды, тем больше это влияние и соответственно погрешность измерения.
Задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является повышение точности измерения температуры поверхности трубы, с возможностью его поверки в течение длительного срока эксплуатации, без нарушения изоляционного слоя трубопровода. Сохранение удобства применения и обслуживания датчика для измерения температуры поверхности.
Технический результат заключается в устранении оттока тепла по конструкции установочного устройства от тепловоспринимающего блока.
Это достигается тем, что измерительное устройство температуры поверхности трубопроводов включает датчик температуры, состоящий из контактной головки с переходником и подключенного к ней измерительного зонда на гибком держателе, включающего металлическую оболочку с токоведущими проводами, проходящими внутри, и к концам которых приварен чувствительный элемент, при этом пространство внутри металлической оболочки заполнено минеральной изоляцией, установочное устройство с тепловоспринимающим блоком в виде прямоугольной металлической пластины в плане с отверстием, в которое установлена металлическая цилиндрическая трубка с глухим дном, а на ее свободном конце размещен штуцер для крепления датчика, при этом металлическая трубка со штуцером образуют канал, в котором установлен измерительный зонд, с расположением чувствительного элемента в конце. При этом отверстие в тепловоспринимающем блоке выполнено параллельно оси прямой, образующей поверхность трубопровода, а металлическая трубка установочного устройства имеет криволинейный и прямолинейный участки, при этом прямолинейный участок выполнен длиной не менее 10d, и размещен вдоль образующей трубопровода и закреплен на нем, а криволинейный участок по высоте превышает толщину теплоизоляции трубопровода, при этом измерительный зонд датчика имеет наружный диаметр с обеспечением гарантированного зазора в канале для свободного его прохождения без образования волнообразной поверхности, где d - внешний диаметр трубки установочного устройства в мм.
Это достигается тем, что установочное устройство измерительного устройства температуры поверхности трубопроводов содержит металлическую трубку со штуцером образующие канал для измерительного зонда датчика температуры, с расположением чувствительного элемента в конце канала с глухим дном и тепловоспринимающий блок в виде прямоугольной металлической пластины в плане, изготовленной с плотно прилегающей нижней поверхностью к наружной поверхности трубопровода и в которое установлена металлическая трубка и зафиксирована в нем. При этом металлическая трубка имеет криволинейный и прямолинейный участки, при этом прямолинейный участок выполнен длиной не менее 10d, и размещен вдоль прямой, образующей поверхность трубопровода и закреплен на ней, а криволинейный участок по высоте превышает толщину теплоизоляции трубопровода, при этом внутренней диаметр трубки имеет диаметр с обеспечением гарантированного зазора в канале для свободного прохождения измерительного зонда без образования волнообразной поверхности, а тепловоспринимающий блок имеет переменную толщину, симметрично уменьшающуюся от середины пластины, и имеет сквозное ступенчатое отверстие.
На фиг. 1 представлен общий вид измерительного устройства температуры поверхности трубопроводов, установленного на трубе измерения вдоль линии, образующей ее внешнюю поверхность.
На фиг. 2 - выносной элемент I.
На фиг. 3 - выносной элемент II.
На фиг. 4 - сечение А-А гибкого кабеля с капсулой.
На фиг. 5 - сечение Б-Б.
На фиг. 6 - вид сверху на теплоприемник.
На фиг. 7 - сечение В-В установки теплоприемника (повернуто).
На фиг. 8 и 9 - варианты сечения Г-Г без теплоизоляции.
Измерительное устройство температуры поверхности трубопроводов состоит из датчика температуры, состоящего из контактной головки 1 с переходником 2 для установки его на установочном устройстве 3 с расположением в канале 4 датчика температуры гибкого держателя 5 с капсулой 6 на конце, внутри которой расположен чувствительный элемент 7 (см. фиг. 4) образующие измерительный зонд.
Крепление измерительного устройства производится на штуцере 8 (см. фиг. 2) установочного устройства 3 при помощи внешней резьбы штуцера 9 переходника 2, с прижимом упорной шайбы 10 датчика температуры к внутреннему выступу штуцера 8.
Упорная шайба 10 имеет выступ 11, который обжимается по наружной поверхности гибкого держателя 5 и соединяется с ним неразъемным соединением. С другой стороны упорная шайба 10 имеет выступ 12 большего диаметра, который расположен на переходнике 2 и приварена к нему со стороны контактной головки 1.
Капсула 6 (см. фиг. 3) на конце гибкого держателя 5 состоит из съемной части металлической оболочки 13 (см. фиг. 4), приваренной к общей оболочке 14 гибкого держателя 5 (см. фиг. 3). В съемной части металлической оболочки 13 (см. фиг. 4) расположены две пары проводов 15 и 16, к концам которых приварен чувствительный элемент 7.
Пространство между проводами 15 и 16, составляющими кабель, по всей длине гибкого держателя 5 заполнено минеральной изоляцией 17, в т.ч. и внутри съемной части металлической оболочки 13. Торец съемной части металлической оболочки 13 закрыт заглушкой 18 с выступающим наружу сферическим наконечником. Съемная часть металлической оболочкой 13 вместе с заглушкой 18 и концом общей оболочки 14 со сварным швом установлены в металлическую трубку 19, которая обваривается с двух сторон, образуя герметичную капсулу 6 (см. фиг. 3).
Датчик температуры установлен на штуцере 8 (см. фиг. 2) установочного устройства 3 (см. фиг. 1) с расположением капсулы 6 (см. фиг. 3) на конце гибкого держателя 5 в металлической трубке 20, конец которого вставлен в отверстие 21 тепловоспринимающего блока 22.
Установочное устройство 3 (см. фиг. 1) состоит из металлической трубки 20 (см. фиг. 2) с наружным диаметром d и прямым участком равным не менее 10d, конец которого установлен без зазора в отверстие 21 тепловоспринимающего блока 22, расположенного сверху на трубопроводе 23 (см. фиг. 1). Теплоприемник крепится, расположенными на прямом участке металлической трубки 20, двумя металлическими лентами 24 с резьбовыми натяжителями 25. Крепление производится через уголки 26, внутренние полки которых расположены на поверхности металлической трубки 20 и разнесены между собой по краям его прямолинейного участка в пределах расстояния равного 10d. Где d - внешний диаметр металлической трубки 20, в мм. Конец участка металлической трубки 20 (см. фиг. 3) закрыт заглушкой 27 с обеспечением герметичности стыка. Металлическая трубка 20 согнута по радиусу r (см. фиг. 1), образуя криволинейный участок, и сверху к ней приварен штуцер 8 с обеспечением герметичности стыка. Где r - радиус изгиба металлической трубки 20, равный толщине теплоизоляционного слоя 28 или превышает его, в мм. Тепловоспринимающий блок 22 установочного устройства состоит из прямоугольной в плане пластины с отверстием 21 (см. фиг. 7) и проточкой плоскости по внешнему радиусу Rвпт. При этом пластина на плоскости соприкосновения с трубой имеет радиус Rтр, равный внешнему радиусу трубопровода 23, а толщина пластины является переменной и симметричной относительно середины с максимальной толщиной h равной не более 1,5 d. Толщина пластины в характерном сечении В-В по контуру представляет диск луны закрытый на три четверти. Ширина Н (см. фиг. 6) прямоугольной пластины в плане определяется отрезком окружности с радиусом Rвпт (см. фиг. 7) равным не более 2d, образующим наружную поверхность тепловоспринимающего блока 22 с центром, находящимся на оси, проходящей через центр трубопровода 23, а длина L (см. фиг. 6) прямоугольной пластины в плане равна 5d. Отверстие 21 под установку трубопровода 20 просверлено длиной равной 1/2L, превышающей длину капсулы 6 с чувствительным элементом датчика температуры. При этом отверстие просверлено параллельно прямой, образующей наружный диаметр трубопровода 23 и прямой образующей, соприкасающейся поверхности установочного устройства. Где - L длина прямоугольной пластины в плане в мм и Н-ширина прямоугольной пластины в плане в мм. Теплоприемник 22 имеет сквозное дренажное отверстие 29 (см. фиг. 7).
Проточка наружной плоскости по внешнему радиусу Rвпт производится на глубину равную Rуст=Rвпт-1.5 мм и ширину равную ширине металлической ленты 24.
Изготовление и сборка датчика температуры в основном производится за счет стандартных комплектующих. Так для изготовления контактной головки I можно воспользоваться изобретением, защищенным патентом №2496099 с переходником 2. В качестве гибкого держателя 5 может быть использован кабель типа КНМСН - кабели нагревостойкие с минеральной изоляцией в стальных оболочках, изготовленные по ТУ 16-505.564-75. Для нашего примера берем кабель с наружным диаметром стальной оболочки равным 3,0 мм. В этом случае капсула 6 имеет диаметр равный 3,5 мм с учетом толщины стенки металлической трубки 19 равной 0.25 мм. В общем случае наружный диаметр стальной оболочки может быть равным 2,0-4,5 мм. Если взять диаметр меньше 2 мм, то измерительный зонд может изгибаться и не войдет на всю длину в трубку, если более 4,5 мм, то не хватит гибкости. Для изготовления капсулы 6 с чувствительным элементом 7 (см. фиг 4), размещенным внутри нее, конец кабеля с проводами 15 и 16 освобождают, например, ультразвуком от минеральной изоляции 17 внутри металлической оболочки до черты 30 на длину 3.0 мм и приваривают к выводам чувствительного элемента 7 (см. фиг 5).
После чего надвигают съемную часть металлической оболочки 13 и сваривают ее с концом общей оболочки 14. Таким образом, чувствительный элемент 7 располагается внутри съемной части металлической оболочки 13. Кольцевой шов 31 проверяют на герметичность и образованную полость, с расположенным в ней чувствительным элементом 7, заполняют с подпрессовкой минеральной изоляцией 17 и закрывают заглушкой 18. Затем на полученную сборку надвигают металлическую трубку 19, таким образом, чтобы она перекрывала кольцевой шов 31 и черту 30. Черта 30 является границей между производственной засыпкой минеральной изоляцией 17 и последующей засыпкой минеральной изоляцией 17 после установки чувствительного элемента 7. В качестве чувствительного элемента 7 можно использовать, например, платиновый чувствительный элемент датчика температуры марки L220 фирмы «Heraeus».
Через свободный конец гибкого держателя 5 на его металлическую оболочку надевают упорную шайбу 12 выступом 11 вперед и продвигают на длину, обеспечивающую расположение капсулы 6 в отверстие 21 тепловоспринимающего блока 22 при установке зонда датчика температуры в канале 4 установочного устройства 3. После этого завальцовывают выступ 11 и сваривают его кольцевым швом с металлической оболочкой гибкого держателя 5. Затем свободный конец гибкого держателя 5 со штуцером 9 пропускают в отверстие переходника 2, а сам переходник трубкой переходника 2 по внешнему диаметру вставляется в отверстие выступа 12 шайбы 10. Штуцер 9 переходника 2 изготавливают из нержавеющей стали с внешней резьбой М20х1,5 мм. Приподняв штуцер 9, сваривают трубку переходника 2 кольцевым швом с концом выступа 12. Выступающий из переходника 2 конец гибкого держателя 5 вставляют снизу в контактную головку 1 и сориентировав ее для удобного съема показателей устанавливают на переходнике 2. Выступающий из контактной головки 1 свободный конец гибкого держателя 5 обрезают под размер подсоединения проводов 15 и 16, освобождая их от общей оболочки 14 для подсоединения разделанных концов кабеля к соответствующим клеммам контактной головки 1 (на фиг. не показано). Съем показателей регистрирующей аппаратуры осуществляется подключением ее выводов через боковое отверстие контактной головки 1.
Изготовление и сборка установочного устройства 3 (см. фиг. 1) включает изготовление металлической трубки 20 из нержавеющей стали с наружным диаметром Ф=10 мм и толщиной стенки 1,5 мм (см. фиг. 2). Длина прямого участка составляет 300 мм. Штуцер 8 изготавливают в виде накидной гайки под ключ 32 мм и резьбой М20х1,5 мм под резьбу штуцера 9. Конец прямолинейного участка заглушают, а на другой изогнутый конец приваривают штуцер 8. Уголки 26 имеют пазы для крепления установочного устройства 3 на трубе измерения 23. Конец заглушенного металлической трубки 20 вставляется в отверстие тепловоспринимающего блока 22, изготовленного из алюминиевого сплава.
Тепловоспринимающий блок 22 изготавливался, в нашем случае, для установки его на трубопровод с внешним диаметром Ф=94 мм, с проточкой плоскости по внешнему радиусу Rвпт.=19 мм. При этом пластина на плоскости соприкосновения с трубой имеет радиус Rтр.=47 мм, a h=13.5 мм.
Установка датчика температуры в установочное устройство осуществлялось следующим образом. Вначале устанавливается на термопасту тепловоспринимающий блок 22 с помощью одной металлической ленты 24 с резьбовым натяжителем 25. Затем в него на термопасту устанавливается установочное устройство 3 и крепится двумя металлическими лентами 24 с резьбовым натяжителями 25 к трубопроводу 23. Затем устанавливается датчик температуры путем проталкивания зонда в канал 4 установочного устройства 3. Для устранения воздушного зазора канал 4 можно заполнить техническим маслом, либо пастой. Металлическая трубка 20 может иметь как круглое сечение (см. фиг 8), так и прямоугольное (см. фиг 9). В последнем случае в расчетах вместо d используется сторона прямоугольника. При упоре шайбы 10 со стороны выступа 11 вворачивается штуцер 9 в неподвижный штуцер 8. Стык производится через медную прокладку (на фиг. не обозначена). Измерительное устройство температуры поверхности трубопроводов, установленное в установочное устройство, закрывается теплоизоляционным слоем 28 и оно готово к работе.
В случае установки измерительного устройства температуры на поверхности трубопроводов диаметром более 40d возможна установка его в установочное устройство с расположением его не вдоль прямой образующей, а по окружности.
чэ
пов
окр.среды
Теплоотвод по конструкции является основной составляющей погрешности измерения для всех случаев размещения измерительных устройств и его установочного устройства и направлен перпендикулярно от поверхности, температуру которой измеряют. Зависимость погрешности от теплоотвода проявляется в том, что температура в зоне чувствительного элемента t отличается от температуры измеряемой поверхности t и зависит от температуры окружающей среды t и выражается следующими неравенствами:
чэ
пов
пов
окр.среды
t>t, если t<t;
чэ
пов
пов
окр.среды
t<t, если t>t.
При размещении трубки установочного устройства и измерительного зонда вдоль изотермической поверхности теплоотвод по трубке установочного устройства и измерительному зонду, безусловно, тоже присутствует. Но максимально теплоотвод идет от криволинейного участка и по мере удаления от криволинейного участка к зоне измерения теплоотвод и связанная с ним разность температур между температурой измеряемой поверхности трубопровода и установочного устройства с измерительным зондом снижается. Криволинейный участок нужен для возможности размещения штуцера установочного устройства выше теплоизоляции трубки с трубопроводом.
Именно в этом случае мы имеем возможность разместить установочное устройство до установки теплоизоляции трубопровода и в дальнейшем, при эксплуатации, вытаскивать измерительное устройство для периодической поверки чувствительного элемента или замены его на объекте без снятия теплоизоляции.
Таким образом, предложенная группа изобретений позволит не только повысить точность измерения, но и произвести быструю смену измерительного устройства температуры поверхности трубопроводов с датчиком температуры, прошедшим тарировку.