Датчик температуры

Полезная модель относится к термометрии и может быть использована при измерении температуры жидкостей и газов, находящихся под воздействием избыточного давления.
Известны датчики температуры (термоэлектрические преобразователи - термопары и термопреобразователи сопротивления - термометры сопротивления) предназначенные для измерения температуры различных сред, в том числе находящихся под избыточным давлением. Все датчики включают в себя измерительную (термометрическую) вставку, защитный чехол и клеммную головку. Измерительная вставка, как правило, представляет собой металлическую трубку с размещенными внутри нее одной или двумя парами термоэлектродов изолированными между собой и внутренней поверхностью трубки и сваренными между собой с одной стороны, в случае если это термоэлектрический преобразователь, или соединительные провода, приваренные к измерительному резистору, в случае термометра сопротивления. (Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Перевод на русский язык. Издательство «Металлургия». 1980 стр. 129, рис. 3.67; стр. 90 рис. 3.35). Защитный чехол предохраняет вставку от воздействия высокого давления или напора потока измеряемой (термометрируемой) среды. Измерительная вставка оснащена конструктивным элементом крепления в виде узла или детали позиционирующем положение вставки в датчике и обеспечивающем тепловой контакт торца вставки и дна чехла (элемент крепления). Элемент крепления, как правило, разделяет внутреннее пространство головки и чехла, препятствуя попаданию пыли и влаги во внутреннюю полость чехла при открытой крышке головки или нарушении герметичности уплотнения между крышкой и корпусом головки.
Известен термоэлектрический термометр (термоэлектрический преобразователь), у которого измерительная вставка выполнена из пары термоэлектродных проволок, изолированных по всей длине между собой и защитной арматуры керамическими трубками. Специальная замазка герметизирует внутреннее пространство защитного чехла от полости головки и выполняют функцию крепления и функцию герметизации измерительной вставки. (Температура: теория, практика, эксперимент, Справочное издание в 3-х томах под ред. А.М. Беленького, В.Г. Левицкого, том 2, Теплотехник, М., 2007, с. 89-90). Герметизация препятствует попаданию пыли и влаги во внутреннюю полость чехла при открытой крышке головки или нарушении герметичности уплотнения между крышкой и корпусом головки.
Также известна конструкция датчиков КТХА модификации 01.07 (Производственная компания «ТЕСЕЙ» КАТАЛОГ ПРОДУКЦИИ 2016, ТАФАРЕТ, 2015, с. 2-27), измерительная вставка которых выполнена в виде кабельной термопары и имеет элемент крепления в виде штуцера с резьбой с обеих сторон, закрепленный на оболочке вставки с помощью механического обжатия. Кабельная термопара представляет собой гибкую металлическую трубку с размещенными внутри нее одной или двумя парами термоэлектродов, расположенными параллельно друг другу. Пространство вокруг термоэлектродов заполнено уплотненной мелкодисперсной минеральной изоляцией. Термоэлектроды кабельной термопары со стороны рабочего торца сварены между собой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам внутри головки термопреобразователя или компенсационным проводам. На узле крепления в виде штуцера резьба с одной стороны служит для установки вставки в защитный чехол и обеспечения контакта торца вставки с дном чехла, с другой на нее наворачивается головка. Аналогичную конструкцию имеют термометры сопротивления ТСМТ, ТСПТ модификации 107 (Производственная компания «ТЕСЕЙ» КАТАЛОГ ПРОДУКЦИИ 2016, ТАФАРЕТ, 2015, с. 6-18). В описанной конструкции элемент крепления в виде штуцера разделяет внутренние полости головки и защитного чехла и препятствует, как и в выше описанной конструкции, попаданию пыли и влаги во внутреннюю полость чехла в случае нарушения герметичности головки, т.е. выполняет как функцию герметизации, так и функцию позиционирования вставки в чехле.
Общим недостатком всех известных конструкций датчиков температуры является то, что элемент крепления измерительной вставки и(или) герметизирующий элемент, разделяющий внутренние полости головки и защитного чехла, не рассчитан на воздействие измеряемой среды, находящейся под избыточным давлением, которая в случае нарушения целостности чехла будет воздействовать на него. Такое воздействие может привести к разрушению элемента крепления и попаданию измеряемой среды в головку и далее в окружающую среду, так как конструкция головки не рассчитана на воздействие избыточного давления со стороны внутренней полости. Попадание измеряемой среды в окружающую среду недопустимо как с точки зрения безопасной эксплуатации объектов, так и негативного экологического воздействия на нее.
Предлагаемая полезная модель решает техническую проблему по устранению указанного недостатка, а именно предотвращает выброс измеряемой среды, находящейся под воздействием избыточного давления и(или) под напором потока из объекта в окружающую среду при нарушении целостности защитного чехла датчика температуры.
Технический результат полезной модели заключается в сохранении герметичности датчика температуры при воздействии избыточного давления со стороны внутренней полости защитного чехла равного давлению, при котором может эксплуатироваться датчик, а именно на номинальное (условное) давление PN равным 6,3 МПа, т.е. конструкция датчика не позволяет разгерметизироваться системе при нарушении целостности чехла.
Для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата предлагается датчик температуры, включающий в себя защитный чехол, головку, измерительную вставку и элемент ее крепления, оснащенную конструктивным элементом, обеспечивающим герметичность при воздействии со стороны внутренней полости чехла среды под давлением, равным избыточному давлению, при котором датчик эксплуатируется, что предотвращает поступление измеряемой среды в полость головки и далее в окружающую среду.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг. 1 представлен общий вид датчика температуры с герметизирующим конструктивным элементом, где:
1 - измерительная вставка;
2 - элемент крепления;
3 - герметизирующий конструктивный элемент;
4 - защитный чехол;
5 - винты;
6 - головка.
Измерительная вставка (1) оснащенная элементом крепления (2). Герметизирующий конструктивный элемент (3) размещается в верхней части защитного чехла (4), между его внутренней поверхностью и вставкой, таким образом, что отделяет внутреннее пространство чехла от полости головки. Положение вставки фиксируется, например, винтами (5) ввернутыми в корпус головки (6).
В случае нарушения целостности защитного чехла измеряемая среда, находящаяся под избыточным давлением, поступает во внутреннюю полость чехла. Дальнейшее проникновение среды в полость головки предотвращается герметизирующим конструктивным элементом.
На Фиг. 2 представлен вариант исполнения датчика температуры, где измерительная вставка (1), оснащенная элементом крепления (2) в виде пластины приваренной к оболочке вставки. На оболочку вставки (1) одет герметизирующий конструктивный элемент (3) из полимерного материала или резины имеющий конусный участок. При монтаже вставки в защитный чехол (4) за счет механического воздействия элемента крепления на герметизирующий элемент, обладающий пластичностью, пространство между поверхностью оболочки вставки и внутренней поверхности чехла, герметизируется. Положение вставки фиксируется подпружиненными винтами (5), ввернутыми в корпус головки (6).
На Фиг. 3 представлен вариант исполнения датчика температуры, где к оболочке измерительной вставки (1) приварен (припаян) элемент крепления (2) в виде штуцера. Вставка со штуцером вворачивается в защитный чехол (4) через герметизирующий конструктивный элемент (3) в виде прокладки. Также функцию герметизирующего конструктивного элемента (3) может выполнять фиксатор резьбы или герметик, заполняющий зазоры между витками резьбы.
На Фиг. 4 представлен вариант исполнения датчика температуры, где к оболочке измерительной вставки (1) приварен (припаян) элемент крепления (2) в виде штуцера имеющего резьбу с двух сторон. Вставка со штуцером вворачивается в защитный чехол (4) через герметизирующий конструктивный элемент (3). На другую сторону штуцера наворачивается головка (6).
1
Для апробации предлагаемого технического решения было изготовлено по три образца датчиков температуры представленных на фигурах 2, 3. Измерительная вставка датчиков изготовлена в виде кабельной термопары с диаметром оболочки 3 мм. Защитный чехол изготовлен из трубы 12Х18Н10Т размером диаметром 10 мм при толщине стенки 1 мм. В качестве элементов крепления датчиков на объекте использовался штуцер с резьбой 20×1,5 и упорное кольцо диаметром 18 мм. Датчики с таким исполнением защитного чехла и монтажных элементов рассчитаны на номинальное (условное) давление PN, равным 6,3 МПа,а значит испытания должны быть проведены пробным давлением 9,5 МПа.
Для проведения испытаний пробка чехла была срезана, и датчики были подвергнуты воздействию гидростатического давления величиной 9,5 МПа. В качестве среды использовалась вода. Герметизирующие конструктивные элементы всех датчиков успешно выдержали испытание.
Далее, для датчиков с герметизирующим конструктивным элементом, представленном на фиг. 3, давление было поднято до 15 МПа, герметизирующий конструктивный элемент также выдержал испытание, что говорит о возможности применения данной конструкции в датчиках, рассчитанных на номинальное давление 10 МПа.
Применение заявленного датчика температуры позволяет предотвратить выброс измеряемой среды в окружающую среду при нарушении целостности защитного чехла датчика температуры благодаря герметизирующим конструктивным элементам, выполненным согласно фиг. 2 - фиг. 4, и соответствующих элементов крепления, которые обеспечивают герметичность термометрируемого объекта при воздействии на него измеряемой среды при рабочем давлении.