ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при создании термопреобразователей, предназначенных для контактного измерения температур, в т.ч. высоких (до...≈3000°С), с помощью термопар и термосопротивлений из тугоплавких металлов (например вольфрама), которые в обычных условиях разрушаются под действием химически активной газообразной среды при температурах гораздо ниже потенциально возможной рабочей температуры, для повышения точности и долговечности работы термопреобразователей, при работе термопреобразователей в средах водорода и других газов, активно поглощающихся металлами с образованием твердых растворов, приводящих к изменению ЭДС термопары и ухудшающих ее точность измерения.
Для обеспечения надежной работы термоэлектрического преобразователя необходимо изолировать термочувствительный элемент от рабочей среды, для чего его помещают в защитный чехол из высокотемпературной керамики, например из оксида магния или оксида бериллия.
Известны пакеты к преобразователям термоэлектрическим для измерения температуры расплавов металлов ПТПП-91, ПТПР-91, ПТВР-91, ПТПР-91-80, ПТВР-91Г-60, выпускаемые Челябинским заводом «Теплоприбор». Известный преобразователь включает в себя жезл для погружения в расплавленный металл сменного пакета (термоэлектрического преобразователя) с контактодержателем и сам сменный пакет, рассчитанный на одно измерение. При измерении пакет сгорает и для последующего измерения заменяется новым.
Пакет состоит из головки термопреобразователя и бумажной гильзы. В кварцевой трубке головки термопреобразователя находится чувствительный элемент. В пакетах ПТПП используется платина-платинородиевый чувствительный элемент; в пакетах ПТПР - платинородий-платинородиевый чувствительный элемент;, в пакетах ПТВР - вольфрамрений-вольфрамрениевый чувствительный элемент. Для измерения температуры различных сплавов используются пакеты: для стали, никеля - ПТПП-91, ПТПР-91, ПТВР-91; для алюминия, чугуна - ПТПП-91 А, ПТПР-91 А; для меди и ее сплавов - ПТПП-91 М, ПТПР-91 М.
Недостаток известного термопреобразователя заключается в следующем: используемые в измеряемых термопарах металлы (включая тугоплавкие) быстро разрушаются из-за химического взаимодействия с окружающими их активными газообразными химическими веществами (главным образом с кислородом), а также происходит образование твердых растворов с некоторыми газами - углерод, водород и т.п., которые являются причинами отклонения ЭДС термопары от исходного.
Аналоги для высокотемпературных измерений с помощью термосопротивлений из тугоплавких металлов авторам неизвестны.
Известна конструкция термоэлектрического преобразователя, описанная в одноименном свидетельстве РФ №11392 по кл. H01L 35/00, з. 13.04.99, on. 16.09.99, выбранная в качестве прототипа.
Известный термопреобразователь состоит из термоэлектродов, изолированных друг от друга по длине керамической соломкой и помещенных в защитную арматуру, состоящую из внутреннего и наружного керамических чехлов, внутренний из которых может быть выполнен из корунда, а соломка выполнена одноканальной и нанизана на каждый термоэлектрод так, что стыки соломки, нанизанной на один электрод, совпадают с телом соломки, нанизанной на другой термоэлектрод, а пространство между керамическими чехлами заполнено минеральной изоляцией.
Применение одноканальной соломки и разнесение мест стыков соломки на разных термоэлектродах, использование минеральной изоляции уменьшает скорость загрязнения платинового электрода родием, испаряющимся с другого электрода из-за значительного удлинения пути движения паров родия, однако, имеет ряд существенных недостатков:
1. Известная конструкция никак не защищает термопару от химического взаимодействия электродов термопары с окружающими ее газами - как атмосферными, так и с принудительно помещенными в пространство вокруг термопары, и как следствие из этого означенная конструкция не позволяет использовать сенсоры из тугоплавких металлов, имеющих температуру плавления гораздо выше, чем платина и платинородиевый сплав, но разрушающихся вследствие химического взаимодействия с окружающими их газами (например окисление) при температурах гораздо ниже рабочих температур платино - платинородиевой термопары, что сужает диапазон измерений в области высоких температур и сокращает срок службы.
2. Известная конструкция никак не защищает термопару от физического воздействия электродов термопары с окружающими ее газами - как атмосферными, так и с принудительно помещенными в пространство вокруг термопары - например происходит образование твердых растворов платины с углеродом, восстановленным из
углекислого газа или, например, образование твердых растворов платины с водородом, восстановленным из паров воды. Образование твердого раствора термоэлектродов термопары с газами приводит к изменению параметров термопары и снижению точности измерений, что никак не устраняется применением означенной конструкции.
3. Уже само по себе испарение родия с одного из термоэлектродов ведет к изменению химического состава этого электрода и, как следствие, к изменениям параметров термопары и снижению точности измерений, что никак не устраняется применением означенной конструкции. Применение же термопары (или термосопротивления) из более тугоплавких металлов, при использовании которых испарение металла с термоэлектрода термопары (в рабочем диапазоне платино -платинородиевой термопары) практически бы отсутствовало, невозможно из-за проблем, оговоренных в п.п.1,2.
Задачей является расширение температурного диапазона в сторону более высоких температур при увеличении срока службы, повышение точности измерений и расширение вида используемых сенсоров (термосопротивлений из тугоплавких металлов) при использовании более дешевых металлов для сенсоров.
Поставленная задача решается тем, что в термопреобразователе, состоящем из чувствительного элемента, помещенного в защитную арматуру, выполненную из внутреннего и наружного керамических чехлов, пространство между которыми заполнено, по меньшей мере, частично, минеральным теплопроводящим наполнителем, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, пространство между наружным и внутренним чехлами, а также во внутреннем чехле герметично каждое по отдельности и свободно от химически активных газов, при этом пространство между внутренним чехлом и чувствительным элементом, по меньшей мере, частично заполнено минеральным теплопроводящим наполнителем, внутри чехлов за пределами высокотемпературной части помещены геттеры для создания, поддержания и индикации отсутствия химически активных газов.
При этом геттеры могут быть связаны с устройствами нагрева, чувствительный элемент может представлять собой термопару из тугоплавких металлов или термосопротивление из тугоплавкого металла (например вольфрама).
Кроме того, для визуального контроля за состоянием геттера могут быть выполнены окна в пространство между чехлами и пространство во внутреннем чехле для наблюдения за целостностью геттера индикаторов или выведены наружу электрические контакты, внутри этих пространств соединенные между собой геттером, протекание тока между которыми свидетельствует о целостности геттера.
Выполнение пространств между чехлами и во внутреннем чехле герметичными и свободными от химически активных газов в совокупности с наличием внутри этих пространств геттеров, обладающих свойствами связывать химически активные газы, обеспечивает достижение поставленной задачи.
Возможность использования термосопротивлений из тугоплавких металлов (например вольфрама) для работы с высокими температурами достигается за счет отсутствия необратимого увеличения сопротивления термосопротивления за счет его химического разрушения (главным образом окисления).
Наличие геттеров в пространстве между наружным и внутренним чехлами и во внутреннем чехле позволяет, во-первых, создать отсутствие химически активных газов внутри чехлов, во вторых индицировать их появление в процессе эксплуатации.
Технический результат - создание термопреобразователей, обеспечивающих контактное измерение высоких температур (до ≈3000°С), в т.ч. термосопротивлений, повышение точности и долговечности работы термопреобразователей, возможность работы термопреобразователей при более высоких температурах, в средах водорода и других газов, активно поглощающихся металлами с образованием твердых растворов. Заявляемый термопреобразователь обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение пространства между наружным и внутренним чехлами и во внутреннем чехле герметичными и свободными от химически активных газов, наличие в указанных пространствах геттеров для создания, поддержания и индикации отсутствия химически активных газов, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый термопреобразователь может найти применение в измерительной технике для измерения высоких температур в металлургии, химической промышленности, для измерений температуры в средах водорода и других газов, активно поглощающихся металлами с образованием твердых растворов, для уменьшения допустимой погрешности измерения и увеличения межповерочного интервала термопреобразователя, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где показан вид термопреобразователя в разрезе.
Заявляемый термопреобразователь содержит чувствительный элемент 1, помещенный в защитную арматуру, состоящую из внутреннего и наружного керамических чехлов 2 и 3. Чехлы 2 и 3 выполнены из газоплотного термостойкого
материала, например из оксида бериллия или оксида магния. В пространстве 4 между чехлами и в пространстве 5 между чувствительным элементом 1 и внутренним чехлом 2 отсутствуют химически активные газы, что обеспечивается созданием в них вакуума или заполнением их инертным газом, например аргоном. В нижней части пространство 4 между керамическими чехлами 2 и 3 заполнено уплотняющим элементом 6 в виде поджимающего теплопроводящего наполнителя. Наружный чехол 3 с помощью двух последовательно размещенных на нем штуцеров 6 и 7, стянутых между собой посредством винтов 8, через уплотняющий сальниковый ввод 9 соединен с корпусом 10 головки 11, в которой расположена клеммная колодка 12 с выводом 13. Нижнюю часть штуцера 6 и наружного чехла 3 плотно охватывает втулка 14 с выполненным в ее средней части прозрачным «окошечком» 15, под которой расположена стеклянная трубка 16, опирающаяся снизу на верхнюю кромку наружного чехла 3, а сверху упирающаяся в выступ штуцера 6. На внутренней стенке стеклянной трубки 16 напротив «окошечка» 15 нанесено напыление из геттера (на чертеже не показано и не обозначено) для индикации присутствия химически активных газов между чехлами 2 и 3. В стенке штуцера 6 выше втулки 14 также выполнено прозрачное «окно» 17, под которым также размещена стеклянная трубка 18, размещенная с упором между сальниковым вводом 9 и внутренним чехлом 2. На внутренней стенке стеклянной трубки 18 напротив окна 17 также нанесено напыление 19 из геттера, служащее для индикации присутствия химически активных газов во внутреннем чехле 2. Для создания и поддержания отсутствия химически активных газов 4 и 5 размещены геттеры 20, для нагрева которых снаружи чехла 3 размещена индукционная катушка 21, связанная с источником напряжения (на чертеже не показан).
Для контроля за отсутствием химически активных газов в пространствах 4 и 5 могут использоваться выведенные из них наружу и соединенные внутри них между собой геттером электрические контакты 22, протекание тока между которыми обеспечивает неразрушенный геттер. Разрушение геттера показывает отсутствие тока
между контактами, что будет являться критерием нарушения работоспособности прибора.
В качестве геттера могут использоваться любые геттеры, в том числе широко распространенные в технике - феба, бато, цето, торий, цирконий, тантал, фосфор-алюминий-магний, титан.
Чувствительным элементом 1 может служить термопара из тугоплавкого материала или термосопротивление из тугоплавкого материала, например вольфрама.
Термопреобразователь работает следующим образом: После сборки термопреобразователя соответствующие геттеры 20 подвергаются нагреву, непосредственному или индукционному с помощью катушки 21. При этом, если это предусмотрено, происходит образование зеркала геттера и появление электрического контакта между соответствующими электродами и осевшим между ними слоем геттера. После этого при необходимости может быть произведена калибровка или поверка термопреобразователя. Затем термопреобразователь помещают в рабочую среду для измерения ее температуры с помощью чувствительного элемента 1.
В процессе работы, вследствие неидеальной газоплотности чехлов геттеры 20 связывают проникающие сквозь чехлы химически активные газы, в результате чего в процессе работы сначала внешний чехол, а затем внутренний чехол будут заполнены инертными газами, проникающими в чехлы из атмосферы, преимущественно аргоном.
Химически активные газы, попадающие в пространство между внутренним и внешним чехлами, почти полностью будут нейтрализованы геттером, в то время как химически инертные газы, не взаимодействуя с геттером, будут просачиваться во внутренний чехол.
Наличие вакуума или инертных газов во внутреннем и внешнем чехле практически устраняет взаимодействие чувствительного элемента с химически и физически активными газообразными веществами, что позволяет значительно увеличить точность и долговечность работы чувствительного элемента за счет отсутствия химического и физического взаимодействия чувствительного элемента с окружающими газами, что приводит к повышению точности измерений, увеличению долговечности и повышению измеряемой термопреобразователем рабочей температуры.
При измерении температуры изменения термосопротивления или термоэдс чувствительного элемента 1 передаются на вывод 13 клеммной коробки, откуда поступают далее на преобразователь сигнала (на чертеже не показан) и индикацию температур. При этом, если в процессе эксплуатации появляются химически активные газы между чехлами 2 и 3, оператор наблюдает состояние геттера через прозрачное окно
17. Если же химически активные газы появляются во внутреннем чехле 2, то аналогичным образом оператор видит состояние геттера через прозрачное окно 15.
Вместо визуальной индикации может быть реализована индикация через электрические выводы 22, закороченные геттером.
Ремонт термопреобразователя обеспечивается за счет его разборной конструкции. Она позволяет разобрать его, раскрутив винты 8 и открутив накидную гайку 23 и сняв втулку 14, удалить использованные геттеры 19 и 20 из стеклянных трубок 16 и 18 с нарушенным напылением, заменить их, произвести герметичную сборку термопреобразователя, удалить химически активные газы с помощью геттеров между чехлами 2 и 3, внутри чехла 3 и снова использовать термопреобразователь.
В сравнении с прототипом заявляемый термопреобразователь является более долговечным средством измерения температуры и позволяет измерять более высокие температуры, имеет меньшую погрешность измерения, дает возможность использовать термосопротивления из тугоплавких металлов (например вольфрама).