ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТОДОМ КРАТКОВРЕМЕННОГО ПОГРУЖЕНИЯ В ТЕРМОМЕТРИРУЕМУЮ СРЕДУ

Термоэлектрический преобразователь для измерения температуры методом кратковременного погружения в термометрируемую среду
Полезная модель относится к термометрии и может быть использована для контроля температуры жидких расплавов цветных металлов, например, алюминия или криолита, в плавильных печах, ковшах и других агрегатах.
Известен термоэлектрический преобразователь для измерения температуры термометрируемых сред, содержащий кабельную термопару, рабочая часть которой помещена в защитный наконечник, выполненный в виде металлического стержня с глухим отверстием и оснащенный узлом крепления. Защитный наконечник имеет номинальный размер внутреннего диаметра, равный номинальному размеру наружного диаметра рабочей части кабельной термопары. Отличительной особенностью прототипа является то, что кабельная термопара имеет размер наружного диаметра рабочей части не более 2 мм, а толщина стенки защитного наконечника имеет размер не более 0,9 мм и дополнительно его - защитного наконечника - наружная поверхность покрыта защитным материалом /RU 111289, G01K7/02, 2011/. Недостатком данного преобразователя является то, что в качестве защитного покрытия применяются неметаллические материалы типа нитрида бора, оксида алюминия, нанесенные методом плазменного напыления на поверхность наконечника. Процесс напыления требует наличия дорогостоящего оборудования, что приводит к существенному удорожанию преобразователя. Значительная разница в коэффициентах термического расширения материалов покрытия и наконечника может приводить к возникновению трещин в материале покрытия при резких теплосменах. Кроме того, покрытия из указанных материалов подвержены разрушению от механического воздействия и(или) деформации наконечника. Указанные факторы, в свою очередь, при толщине стенки наконечника менее 0,9мм, приводят к быстрому разрушению термопреобразователя.
Известен термоэлектрический преобразователь для измерения температуры методом кратковременного погружения в термометрируемую среду, изготовленный из кабельной термопары, включающей термоэлектроды и металлическую оболочку, рабочая часть которой помещена в защитный металлический наконечник. Отличительной особенностью такого термоэлектрического преобразователя является то, что спай преобразователя представляет собой сплав из концевых частей оболочки кабеля, термоэлектродов и наконечника /RU 133923, G01K 7/02, 2013/. Недостатком данной конструкции является склонность к обрыву термоэлектродов при резких теплосменах, вызванная отличием коэффициентов термического расширения материалов и возможным утонением термоэлектродов при сварке.
Известен термоэлектрический преобразователь для измерения температуры методом кратковременного погружения в термометрируемую среду, принятый в качестве прототипа, изготовленный из кабельной термопары, рабочая часть которой помещена в защитный наконечник, выполненный в виде металлического стержня с глухим отверстием и оснащенный узлом крепления к измерительной штанге, при этом, кабельная термопара имеет номинальный размер наружного диаметра рабочей части от 1 мм до 2 мм, а защитный наконечник имеет номинальный размер внутреннего диаметра, равный номинальному размеру наружного диаметра рабочей части термопары, причем толщина стенки защитного стержня имеет размер от 1 мм до 2 мм /RU 66040, G01K 7/02, 2007/. Недостатками данного преобразователя является относительно большая величина показателя тепловой инерции (τ0,63), определяемого по ГОСТ 6616-94, и сложность достижения стабильности его величины при серийном производстве. Данные недостатки обусловлены отклонением внутреннего диаметра капиллярных трубок, используемых для изготовления защитного наконечника, от номинального размера и характером организации контакта между оболочкой термопары и наконечником. В конечном итоге они снижают ресурс и надежность использования преобразователей.
Авторы решали задачу по созданию термоэлектрического преобразователя для измерения температуры методом кратковременного погружения в термометрируемую среду, лишенного указанных недостатков. Технический результат заключается в увеличении ресурса использования термопреобразователей за счет снижения величины показателя тепловой инерции, достижения стабильности его величины при серийном производстве и предотвращении обрыва рабочего спая при резком изменении температуры в момент погружения в среду и в момент извлечения термопреобразователя из среды.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается термоэлектрический преобразователь для измерения температуры методом кратковременного погружения в термометрируемую 3
среду, изготовленный из кабеля термопарного с минеральной изоляцией, включающего термоэлектроды и металлическую оболочку, часть которого со стороны рабочего спая помещена в защитный металлический наконечник. Отличительной особенностью предлагаемого термоэлектрического преобразователя является то, что рабочий спай выполнен изолированным от оболочки, а оболочка кабеля термопарного припаяна к защитному наконечнику в зоне рабочего спая.
Дополнительно предлагается оболочку кабеля термопарного припаять к наконечнику в зоне рабочего спая припоем с температурой плавления выше температуры термометрируемой среды.
В качестве припоя могут использоваться чистые металлы или сплавы на их основе.
Выполнение термопреобразователя с изолированным от оболочки рабочим спаем предотвращает, обрыв термоэлектродов в зоне спая в момент погружения датчика в термометрируемую среду и в момент извлечения термопреобразователя из среды, чего нельзя исключить в варианте исполнения с неизолированным спаем из-за различных коэффициентов термического расширения оболочки кабеля, изолятора и термоэлектродов. Припаивание оболочки кабеля к защитному наконечнику в зоне рабочего спая устраняет зазор между оболочкой и внутренней поверхностью металлического наконечника, препятствующий быстрой передаче теплового потока к оболочке кабельной термопары. Причем зазор, заполнен припоем на основе металлов, имеющих высокий коэффициент теплопроводности, что позволяет снизить показатель тепловой инерции, а, следовательно, и время взаимодействия термопреобразователя со средой. Таким образом достигается увеличение ресурса - количества замеров, которое напрямую зависит от времени проведения замера, т.к. во время взаимодействия со средой происходит химическое взаимодействие, разрушающее термопреобразователь.
На прилагаемом чертеже представлено заявляемое устройство, где 1 - минеральная изоляция, 2 - термоэлектроды, 3 - металлическая оболочка, 4 - рабочий спай, 5 - защитный наконечник, 6 - припой.
Термоэлектрический преобразователь изготавливают следующим образом. Для изготовления защитного наконечника используют капилляр, заваренный, с одной стороны. Из термопарного кабеля, включающего минеральную изоляцию 1, термоэлектроды 2 и металлическую оболочку 3 изготавливают термопару с 4
изолированным рабочим спаем 4. В защитный наконечник, расположенный заваренной стороной вниз, бросают кусочек припоя, например, кусочек медной проволоки. В защитный наконечник 5 вставляют термопару рабочим спаем 4 вниз и разогревают припой 6 с помощью горелки. В момент плавления термопару «проталкивают» до упора, горелку выключают. Процесс занимает меньше минуты.
Сравнительные технические характеристики заявляемых термоэлектрических преобразователей и термоэлектрических преобразователей-прототипов приведены в таблице 1.