ЗАЩИТНЫЙ НАКОНЕЧНИК ТЕРМОПАРЫ
PROTECTIVE TIP OF THERMOCOUPLE

Изобретение относится к устройствам для измерения высоких температур в жидких, твердых и газообразных средах (например, в расплавах металлов, солевых растворах, шлаках, потоках продуктов сгорания топлив ракетных двигателей и др.), конкретно к конструкции защитных наконечников термопар, и может найти применение в измерительной технике, в металлургии, в средствах автоматизации и в других областях народного хозяйства.
Известно, что при высоких температурах материалы термопар подвержены растрескиванию при тепловом ударе и чувствительны к воздействию агрессивных сред. Для защиты рабочего спая термопары применяют газонепроницаемые защитные наконечники. Количество измерений и общее время работы термопар в жестких температурных условиях лимитируется теплофизическими свойствами материалов защитного наконечника. В связи с этим наконечники снабжают защитными чехлами с покрытиями, стойкими в окислительной среде и предназначенными для увеличения ресурса работы термопары.
Известны способы предупреждения повреждения термопарного защитного чехла вследствие тепловой перегрузки путем предварительного его прогрева [патент Франции №2008549, 1970], создания новых материалов [авторское свидетельство №340906, 1970 г.], ступенчатого нагрева защитного чехла при его погружении [авторское свидетельство №340906, 1970 г.], которые не обеспечивают уменьшения концентрации напряжений в конструкции защитного чехла до требуемого уровня, вследствие чего не менее 30% наконечников выходит из строя уже после первого измерения.
Известны конструкции защитных наконечников термопар, имеющие защитный чехол из жаропрочного сплава. В качестве материала защитного чехла применяют сплавы жаропрочных металлов: молибдена, вольфрама, ниобия, тантала, окислы и бориды металлов и другие тугоплавкие соединения, недостатком которых является быстрое разрушение при повышенной температуре. Наилучшими защитными свойствами обладает дисилицид молибдена, однако технология его нанесения сложна, энергоемка и трудно реализуема [С.К. Данишевский, Н.И. Сведе-Швец «Высокотемпературные термопары», М., «Металлургия», 1977 г., стр. 117-130, 195].
Известно применение в защитных наконечниках термопар погружения защитного чехла, представляющего собой корпус с нанесенным на его наружную и внутреннюю поверхность покрытием в виде оксида металла корпуса [заявка №2002115428/28 от 07.06.2002 г.]. При этом материал корпуса представляет собой сложный многокомпонентный сплав из жаропрочных металлов определенного состава, поэтому состав покрытия должен содержать оксиды всех компонентов сплава в таком же соотношении, что при электролитическом окислении металлов обеспечить практически невозможно.
Для увеличения ресурса высокотемпературной термопары предложено наружный чехол защитного наконечника выполнять из сплавов жаропрочных металлов: молибдена, тантала, ниобия, вольфрама [заявка №2001107326/28, 2001 г.; патент SU №838405, 1979 г.; патент SU №386272, 1973 г.], из графита и оксида металла [патент SU №2337332, 2006 г.]. Однако ресурс работы термопары с такими наконечниками ограничен, т.к. наружный чехол, выполненный из таких материалов, быстро разрушается при действии высоких температур и не обеспечивает достаточной газонепроницаемости и стойкости при действии на него расплавленных металлов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является наконечник термопары для непрерывного измерения температуры жидкой стали в мартеновских печах [авторское свидетельство СССР №147817 от 13.03 1961 г.]. Наконечник состоит из наружного чехла из диборида циркония, внутреннего чехла из алунда и порошка из отожженного оксида алюминия, заполняющего полость между чехлами. Такая конструкция позволила удачно использовать свойства термостойкого, но газопроницаемого диборида циркония и нетермостойкого, но газоплотного алунда.
Недостатком указанного наконечника является возможность растрескивания и выхода из строя наружного чехла в процессе работы. Возможность растрескивания чехла обусловлена двумя механизмами воздействия высокой температуры.
Во-первых, при погружении в контролируемую среду возникает резкий перепад температур по толщине оболочки чехла. При этом на наружной поверхности оболочки возникают значительные напряжения, обусловленные тем, что внутренние, относительно холодные слои не позволяют наружному слою деформироваться и тем самым уменьшить действующие температурные напряжения. При определенных условиях (наличие дефектов в материале оболочки, низкая начальная температура) указанные явления теплового удара приведут к разрушению чехла.
Во-вторых, если даже конструкция успешно противостояла тепловому удару, то в процессе работы чехол по всей толщине прогревается до температуры контролируемой среды. При этом в материале возникают огромные напряжения сжатия, которые, хотя несколько снижаются за счет частичного деформирования оболочки в осевом и радиальном направлениях, остаются весьма значительными, поскольку отсутствует возможность деформирования оболочки в окружном направлении. Необходимо также учитывать, что при высоких температурах предельно-допустимые характеристики материалов снижаются в несколько раз. Например, при температуре 1230°С предел прочности при сжатии для диборида циркония снижается в 7 раз [справочник «Особо тугоплавкие элементы и соединения», М., «Металлургия», 1969 г., стр. 67, табл. 10]. Таким образом, остается реальной угроза механического разрушения чехла вследствие значительных действующих напряжений сжатия.
Целью изобретения является повышение стойкости защитного наконечника к тепловому удару и увеличение ресурса работы термопары.
Техническое решение задачи достигается тем, что наружный чехол защитного наконечника выполнен многослойным в виде двух вставленных один в другой без зазора тонкостенных смежных стаканов, изготовленных из тугоплавкого материала, с продольными сквозными щелями в боковых стенках и повернутых вокруг продольной оси так, что щели смежных стаканов не совпадают.
Устройство предлагаемого изобретения поясняется при помощи чертежа.
На чертеже изображен наружный чехол защитного наконечника, выполненный в виде двух вставленных один в другой без зазора тонкостенных стаканов 1 и 2. Стаканы имеют продольные сквозные щели 3 и 4 и повернуты вокруг продольной оси так, что щели смежных стаканов не совпадают.
Величина поперечного раскрытия щелей h выбирается из соотношения:
где D - диаметр стакана, мм;
α - коэффициент температурного расширения материала стакана;
t - температура контролируемой среды, °С,
исходя из следующих соображений.
Известно, что снижение на 40-50% действующих температурных напряжений в ~ 100 раз повышает термическую усталость материалов, т.е. число циклов до разрушения [«Прочность и деформация в неравномерных температурных полях», М., «Госатомиздат», 1962 г., стр. 102, рис. 5]. Термические напряжения сжатия а определяются из соотношений [Б.Е. Гейтвуд «Температурные напряжения», М., ИЛ, 1959 г., стр. 18-19]:
где Е - модуль упругости материала;
α - коэффициент линейного теплового расширения материала;
t - разница между конечной и начальной температурой конструкции;
h - поперечный размер щели;
D - диаметр стакана.
Зависимость (2) относится к конструкции без щели, а (3) - к конструкции с продольной щелью.
Исходя из условия двукратного снижения действующих при нагревании напряжений сжатия, из зависимостей (2) и (3) нетрудно получить соотношение для величины относительного поперечного раскрытия щели:
При погружении защитного наконечника в контролируемую среду перепад температур по толщине каждого стакана не превысит 500°С, что обеспечит его целостность при тепловом ударе. При длительном пребывании в контролируемой среде разогретые стаканы имеют возможность деформироваться в окружном направлении благодаря наличию щелей, в результате чего достигается снижение действующих напряжений сжатия и повышение термическая усталости материала.
Технический результат изобретения заключается в том, что многослойная конструкция чехла защитного наконечника термопары с продольными сквозными щелями в боковых стенках составляющих чехол стаканов позволяет повысить ресурс работы защитного наконечника, обеспечивая экономию дорогостоящих и дефицитных тугоплавких материалов.
Реализация предлагаемой конструкции не представляет технических трудностей и не требует дополнительных материальных затрат.