СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ
METHOD TO MANUFACTURE RESISTANCE THERMOELEMENT

Настоящее изобретение относится к области разработки микроминиатюрных малоинерционных систем измерения и анализа жидких и газообразных сред в условиях внешнего динамического воздействия. В частности - в условиях геофизических исследований скважин в процессе бурения.
Для контроля температурного поля среды в условиях высоких давлений и температур широко применяются термометры сопротивления, состоящие из герметичного корпуса и размещенного внутри него чувствительного элемента в виде изолированной проволоки, спирально намотанной на дополнительный каркас, либо в виде спирального жгута из неизолированной проволоки, размещенного у каналах керамического каркаса, либо в виде свободно протянутой проволоки в полости спирального трубчатого каркаса (А.с. СССР №1044775, E21B 47/06, G01K 7/16,1 983. Абрукин А.Л. Потокометрия скважин. М., «Недра», 1978. C.151).
К недостаткам известных устройств следует отнести высокую инерционность измерений, а также низкую надежность конструкции. Это обусловлено тем, что чувствительный элемент выполнен из большого числа составных элементов, а для работоспособности устройства при его изготовлении необходимо соблюдение определенных условия(изоляция проволоки, соосность каркаса с защитным корпусом, соблюдение определенных режимов температуры и давления в корпусе, и т.д.). При эксплуатации в условиях внешних динамических воздействий (например, при геофизических исследованиях в скважине) такой чувствительный элемент легко может выйти из строя.
Известен термопреобразователь сопротивления (РФ, патент №1420391, G01K 7/16, 1982), взятый за прототип, отличающийся низкой инерционностью, высокой точностью измерения и простотой конструкции.
К недостатку данного устройства следует отнести нестабильность измерений, снижающую их точность. Это обусловлено тем, что чувствительный элемент, выполненный в виде биспирали, свободно размещен в вакууммированном чехле. При эксплуатации в результате внешних динамических воздействий витки чувствительного элемента могут замкнуться между собой, искажая параметр.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений термопреобразователя сопротивления за счет снижения его инерционности, расширение его функциональных возможностей, а также - повышение надежности конструкции.
Поставленная задача решается следующим образом.
В соответствии со способом изготовления термопреобразователя сопротивления, включающим операцию изготовления проволочного термочувствительного элемента в виде моно - или полиспирали, установку термочувствительного элемента в стеклянный чехол, помещение стеклянного чехла с термочувствительным элементом в кассету, установку кассеты в вакуумную камеру с внешним нагревателем, повышение посредством нагревателя температуры в вакуумной камере, создание вакуума, приближение к нагревателю кассеты со стеклянным чехлом и герметизацию последнего под воздействием повышенной температуры, согласно изобретению после герметизации стеклянного чехла кассету повторно приближают к нагревателю и после заданной выдержки по времени, обеспечивающей размягчение стеклянного чехла, кассету удаляют от нагревателя в исходное положение, а в вакуумную камеру подают воздух, под воздействием которого размягченное стекло чехла прижимается к виткам спирали термочувствительного элемента, контактирующим с внутренней поверхностью стеклянного чехла.
Кроме того, как вариант описанного способа, в стеклянный чехол предварительно помещают элемент косвенного нагрева, устанавливаемый по продольной оси стеклянного чехла не касаясь термочувствительного элемента.
Предложенный способ изготовления термопреобразователя сопротивления обеспечивает высокую точность измерений, расширение функциональных возможностей, высокую надежность и виброустойчивость конструкции при работе в условиях динамического воздействия окружающей среды.
Надежность и виброустойчивость конструкции обеспечивается жесткой фиксацией термочувствительного элемента внутри стеклянного чехла. Это достигается тем, что нагретое размягченное стекло чехла под воздействием давления подаваемого в вакуумную камеру воздуха прогибается и прижимается, частично вдавливаясь, к поверхностям витков спирали термочувствительного элемента, контактирующим с внутренней поверхностью чехла. В точках касания спирали термочувствительного элемента в размягченным стеклом на последнем образуются углубления. Остывая, стекло твердеет, жестко фиксируя «прихваченные» витки спирали в образованных углублениях внутренней поверхности чехла, обеспечивая тем самым жесткую фиксацию термочувствительного элемента в стеклянном чехле.
Предложенный способ, по сравнению с прототипом, упрощает процедуру монтажа термочувствительного элемента в стеклянный чехол, поскольку позволяет изготавливать термочувствительный элемент диаметром меньше внутреннего диаметра стеклянного чехла - термочувствительный элемент свободно входит в стеклянный чехол и фиксируется внутри последнего за счет размягчений стекла.
Причем, поскольку стенка чехла в точках «прихвата» термочувствительного элемента становится тоньше, теплопроводность в этих точках возрастает, а следовательно - инерционность измерения снижается по сравнению с прототипом.
Как известно, температура саморазогрева спирали термочувствительного элемента под воздействием пропущенного через него тока не превышает 0,15% от величины самого тока, что позволяет с высокой точностью контролировать величину теплообмена между термопреобразователем сопротивления и окружающей его средой. Оснащение согласно изобретению термочувствительного элемента термопреобразователя сопротивления элементом косвенного нагрева позволяет повысить температуру саморазогрева спирали термочувствительного элемента на величину свыше 15% от величины пропущенного тока. В этом случае данный термопреобразователь сопротивления может использоваться в качестве термоанемометра, расширяя тем самым функциональные возможности устройства.
При этом дополнительный косвенный нагрев термочувствительного элемента в совокупности с точечными контактами термочувствительного элемента с поверхностью стеклянного чехла значительно повышает чувствительность устройства.
Таким образом, предложенный способ изготовления термопреобразователя сопротивления обеспечивает по сравнению с прототипом более высокую надежность и виброустойчивость конструкции в процессе эксплуатации, а также - расширенные функциональные возможности его эксплуатации. При этом предложенный способ отличается высокой технологичностью, поскольку не требует для практической реализации специального оборудования и/или материалов.
На практике реализация предложенного способа изготовления термопреобразователя сопротивления (варианты) осуществляется следующим образом.
Для изготовления термочувствительного элемента производят навивку с заданным шагом спирали из тонкого термочувствительного провода на более толстый провод-керн, причем. Материал керна выбирают химически более активным по сравнению с материалом термочувствительного провода, а диаметр термочувствительного провода d и диаметр керна D выбирают из соотношения D≤4d. После химического вытравливания керна в смеси кислот производят навивку полученной моноспирали на керн диаметром 2D с шагом навивки в два раза больше предыдущего (при повторе описанной операции можно получить триспираль и т.д.
(В нашем случае моноспираль изготавливалась из вольфрамового провода диаметром 0,004 мм, навиваемого на молибденовый керн диаметром 0,0015 мм с шагом навивки моноспирали - 0,007 мм. Диаметр керна для биспирали составил 0,08 мм, а шаг навивки биспирали составил 0,033 мм.)
После химического вытравливания второго керна производят высокотемпературный отжиг (1200 -1400°C) полученной биспирали для сохранения ее формы и стабилизации температурного коэффициента полученного термочувствительного элемента.
Готовый термочувствительный элемент помещают в стеклянный чехол по его продольной оси. Далее стеклянный чехол с термочувствительным элементом устанавливают в кассету, которую помещают в вакуумную камеру. Вакуумная камера снабжена внешним нагревательным элементом (горелками), а кассета имеет возможность цикличного перемещения внутри вакуумной камеры относительно нагревательного элемента. Включают вакуумную установку и нагревательный элемент. В процессе цикличного перемещения кассеты в вакуумной камере стеклянный чехол с термочувствительным элементом с заданной периодичностью приближается к нагревательному элементу. В процессе откачки воздуха одновременно происходят постепенный разогрев стеклянного чехла, оплавление его торцов и герметизация полости чехла.
После герметизации вакууммированного стеклянного чехла кассету вновь приближают к нагревательному элементу на заданное время, обеспечивающее размягчение стеклянного чехла по всей длине. Затем кассету удаляют от нагревательного элемента в исходное положение, а в вакуумную камеру подают воздух. Под воздействием атмосферного давления (давления воздуха) размягченное стекло вакууммированного чехла равномерно по всей поверхности прогибается и прижимается к поверхности витков биспирали термочувствительного элемента, контактирующих с внутренней поверхностью чехла. В точках касания витков биспирали с размягченным стеклом на последнем образуются углубления. Остывая, стекло твердеет, жестко фиксируя «прихваченные» витки биспирали термочувствительного элемента в образованных углублениях внутренней поверхности чехла.
Далее производят извлечение стеклянного чехла с жестко зафиксированным внутри термочувствительным элементом из кассеты и осуществляют его монтаж в защитный кожух для дальнейшей эксплуатации по назначению.
Как вариант исполнения, авторами был изготовлен термопреобразователь сопротивления с термочувствительным элементом в виде вольфрамовой моноспирали с проводом косвенного нагрева, установленным по продольной оси стеклянного чехла. Готовый вакууммированный стеклянный чехол был вмонтирован в стальной защитный кожух.
В процессе эксплуатации при скважинных геофизических исследованиях при давлении до 150 МПа саморазогрев термочувствительно элемента составил 2000°C, и устройство использовалось в качестве термопреобразователя сопротивления. При пропускании электричесгого тока через провод косвенного нагрева саморазогрев термочувствительного элемента увеличился до 3000°C, что позволило использовать данное устройство в качестве термоанемометра. При этом инерционность термопреобразователя составила 0,01 с (по сравнению 0,05 с у прототипа).
Таким образом, изготовленный предложенным способом термопреобразователь сопротивления обладает высокой чувствительностью и расширенными функциональными возможностями, что в совокупности с надежностью конструкции и виброустойчивостью обеспечивает возможность ее эффективного использования независимо от условий и динамических воздействий окружающей среды.