ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая группа полезных моделей относится к термометрии и может быть использована при измерении температуры в черной и цветной металлургии, машиностроении и других отраслях.
В металлургии слитки перед горячей прокаткой нагревают в печах различных типов: методических толкательных, кольцевых, камерных. В машиностроении нагрев слитков проводят перед обработкой давлением -прессовкой, ковкой, штамповкой, а также осуществляют различные виды термической обработки - отпуск, нормализация, отжиг, старение и т.п. В значительной, если не в определяющей мере, дальнейшее качество продукции зависит от соблюдения режима термообработки металла и температурного графика работы печного агрегата.
Наиболее желательным параметром для регулирования теплового режима печи является температура поверхности нагреваемой садки. Однако существует ряд трудностей при измерении температуры поверхности садки и использование этого параметра для управления тепловым режимом печи. Применение для этих целей пирометров /1/ связано со значительными погрешностями. На точность измерения температуры пирометром влияют яркость факела и степень черноты поверхности, причем значения этих параметров переменны во времени и трудно определяемы /Беленький A.M., Дубинский М.Ю., Ладыгичев М.Г., Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М. «Измерение температуры: теория, практика, эксперимента Справочное издание: В 3-х томах. Т.2. Измерение температуры в промышленности и энергетике Под ред. A.M.Беленького, В.Г.Лисиенко - М.: Теплотехник, 2007. с.486/
Другим способом измерения температуры поверхности является применение поверхностных термопар, в том числе и кабельных. В этом случае горячий спай термоэлектрического преобразователя прикрепляют непосредственно на поверхность слитка, либо зачеканивают в канавке или отверстии, организованном на его поверхности / п.9.2.2.2 руководства по использованию термопар MNL 12 /Manual on the use of thermocouples in temperature measurement. Fourth Edition, (sponsored by ASTM Committee E20 on Temperature Measurement. ASTM manual series: MNL 12. "Revision of special technical publication (STP) 470B". Includes bibliographical references and index. ISBN 0-8031-1466-4, с.176/.
Недостатком применения поверхностных термоэлектрических преобразователей является их большой расход, т.к. извлечь преобразователь из слитка для повторного применения практически невозможно и его попросту обламывают, кроме того, наличие остатков термоэлектрических преобразователей в слитке может привести к получению брака, например при прокатке слитка в фольгу.
Описанные трудности приводят к тому, что в настоящее время наиболее широко применяют управление нагревом садки по косвенному параметру - температуре в рабочем пространстве печи. Однако при таком способе регулируемая температура всегда отличается от температуры садки, что не гарантирует соблюдение режимов термообработки и как следствие необходимого качества конечной продукции.
Температуру поверхности слитков также определяют с помощью термоэлектрических преобразователей относящихся к классу термопарных зондов или щупов, предназначенных для периодического замера температуры поверхности.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является конструкция термоэлектрического преобразователя RTC 827A компании Wahl Instruments, Inc. представленная в каталоге Heat Prober Hand-Held
Termometers, 2007. Термопреобразователь предназначен для определения температуры электропроводящих поверхностей, например, медных и алюминиевых слитков. Рабочий торец преобразователя представляет собой два оголенных термоэлектрода диаметром 5-6 мм заточенных на торце. Достаточно массивные и острые термоэлектроды вонзаются в поверхностный слой слитка и образуют за счет электрического контакта рабочий спай термопары. Основным недостатком данной конструкции является массивность термоэлектодов, вследствие чего они принимают температуру близкую к температуре газовой среды окружающей слиток, а не температуру поверхности слитка. По этой причине измерение температуры поверхности таким преобразователем производится с погрешностью до 5% в период нагрева слитка, когда температура среды на десятки и сотни градусов больше температуры слитка, и с погрешностью 2-3% в период стационарного режима предназначенного для гомогенизации слитка. Измерение температуры с указанными погрешностями не обеспечивает должного качества конечной продукции и приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии.
Авторы решали задачу по созданию термоэлектрического преобразователя для контроля поверхности твердых тел, способного показывать стабильные результаты на протяжении многих измерительных циклов.
Для решения поставленной задачи предлагается по первому варианту термоэлектрический преобразователь для измерения температуры поверхности твердых тел, содержащий кабельную термопару в качестве термочувствительного элемента, размещенную в чехле таким образом, что рабочий и свободный концы термопары находятся вне чехла. При этом термопара расположена в чехле с возможностью осевого перемещения относительно последнего и со стороны свободного конца кинематически связана с ним посредством пружины, а со стороны рабочего конца
термопара оснащена упором для крепления термопары внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла.
Дополнительно по первому варианту предлагается торец рабочего конца термопары выполнить в виде конуса.
Дополнительно по первому варианту предлагается рабочий спай и примыкающий к нему участок термоэлектродов вывести за пределы оболочки термопары и разместить в обечайке закрепленной на торце оболочки термопары, причем размещенной таким образом, что термоэлектроды и спай изолированы от обечайки диэлектриком с теплопроводностью не выше 30 Вт/м·К на поверхность которого и уложены как спай так и участок термоэлектродов протяженностью не менее 10 диаметров термоэлектродов.
Для решения поставленной задачи по второму варианту предлагается термоэлектрический преобразователь для измерения температуры поверхности твердых тел, содержащий кабельную термопару в качестве термочувствительного элемента, размещенную в чехле таким образом, что рабочий и свободный концы термопары находятся вне чехла. При этом термопара закреплена внутри трубки, причем трубка размещена в чехле с возможностью осевого перемещения относительно последнего и со стороны свободного конца кинематически связана с ним посредством пружины, а со стороны рабочего конца трубка оснащена упором для ее крепления внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла, при этом участок термопары со стороны рабочего конца протяженностью не менее 10 диаметров уложен в виде плоской спирали и размещен на торце обечайки, заполненной диэлектрическим материалом с теплопроводностью не выше 30 Вт/м·К и закрепленной на консоли трубки, причем размещен таким образом, чтобы исключить контакт оболочки термопары и обечайки.
Дополнительно по второму варианту предлагается обечайку закрепить на консоли трубки с возможностью углового поворота относительно трубки на телесный угол в пределах от 0 до 10°. Возможность углового поворота обечайки может быть обеспечена соединением последней с трубкой посредством сферического шарнира или сильфона.
Дополнительно по обоим вариантам предлагается чехол оснастить элементом крепления для установки на термометрируемом объекте, например в виде штуцера.
Дополнительно по обоим вариантам предлагается термопару выполнить с узлом коммутации для подключения термоэлектрического преобразователя в измерительную цепь в виде, например, клеммной головки, удлинительных проводов или термопарного разъема.
Выполнение термоэлектрического преобразователя с признаками указанными выше позволяет обеспечить надежный контакт рабочей части преобразователя с поверхностью твердого тела при кратковременном введении преобразователя в соприкосновение с термометрируемым объектом. Указанный технический результат достигается за счет того, что при введении в соприкосновение датчика температуры с поверхностью твердого тела происходит компенсация величины выхода рабочего конца термопары из чехла за счет подпружинивания термопары относительно чехла.
На фиг.1 представлен термоэлектрический преобразователь по первому варианту, на фиг.2 - торец рабочего конца термопары в виде конуса, на фиг.3 и 4 - вариант выполнения рабочего конца термопары с размещением рабочего спая и участка термоэлектродов на торце обечайки, заполненной диэлектриком, на фиг.5, 6 и 7 представлен второй вариант выполнения изобретения, причем на фиг.6 - модель с использованием шарового шарнира. На представленных чертежах 1 - кабельная термопара, 2 - чехол, 3 - рабочий конец термопары, 4 - свободный конец термопары, 5
- пружина, 6 - упор для крепления термопары внутри чехла и задания величины выхода рабочего конца термопары из чехла, 7 - торец рабочего конца термопары выполненный в виде конуса, 8, 9 - термоэлектроды, 10 - рабочий спай, 11 - оболочка кабельной термопары, 12 - обечайка, закрепленная на торце оболочки термопары, 13 - обечайка, закрепленная на торце трубки, 14 - диэлектрик, 15 - трубка, 16 - упор для крепления трубки, 17 - элемент крепления в виде штуцера для установки термоэлектрического преобразователя на термометрируемом объекте, 18 - узел коммутации для подключения термоэлектрического преобразователя в измерительную цепь в виде термопарного разъема.
Устройство работает следующим образом. Термоэлектрический преобразователь с помощью элемента крепления 17 закрепляют на измерительной штанге (на чертежах не показана) и посредством узла коммутации 18 соединяют с вторичной измерительной аппаратурой (на чертежах не показана). Затем штангу механически передвигают в печь, где находится разогреваемое твердое тело, например, слиток алюминия до касания рабочего спая 10 поверхности твердого тела. При этом для надежности ход штанги выбирают таким образом, чтобы рабочий конец термопары 3 вошел в чехол 2 примерно на половину величины сжатия пружины 5. Конструкция торца рабочего конца термопары в виде конуса 7 исключает неполный контакт рабочего спая с поверхностью твердого тела. Конструкция торца рабочего конца термопары в виде обечайки, закрепленная на торце оболочки термопары 12 или на торце трубки !3 позволяет получить истинное значение температуры поверхности твердого тела.
Указанные термоэлектрические преобразователи прошли испытания в электропечах с шагающими балками (ЭПШБ) в которых происходил нагрев и гомогенизация алюминиевых слитков перед прокатом на фольгу. Температура воздуха в печи составляла 640°С, в период нагрева слитка и
620°С в период гомогенизации. Температура поверхности слитка определялась по зачеканенному в поверхность термоэлектрическому преобразователю и термопреобразователю выполненному по пункту 4 формулы. В период нагрева разница в показаниях термопреобразователей не превышала 3%, а после прогрева в период гомогенизации менее 1%, что свидетельствует о ее пригодности для ведения режимов нагрева печи.