Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред
Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред относится к измерительной технике и предназначен для измерения температуры расплава стекла.
Термоэлектрический преобразователь включает платиносодержащие термоэлектроды, изолированные друг от друга керамической соломкой и помещенные в защитную арматуру, состоящую из наружного и внутреннего керамических чехлов, и установленный на наружной поверхности внутреннего керамического чехла платиновый наконечник, который обжат по поверхности внутреннего керамического чехла и вдавлен в лыски, выполненные на наружной поверхности внутреннего керамического чехла. Лыски с эллипсоидной или пирамидальной усеченной поверхностью расположены по спиральной линии на поверхности внутреннего керамического чехла и их глубина не превышает 1/3 толщины стенок внутреннего керамического чехла.
Техническим эффектом от использования термоэлектрического преобразователя для высокотемпературных и агрессивных сред является повышение его надежности и снижение себестоимости изготовления.
4 з.п.ф., 5 фиг.
Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред, заявляемый в качестве изобретения, относится к измерительной технике и предназначен для измерения температуры расплава стекла, где температура может достигать 1500°С.
При измерении температуры расплавов стекла рекомендуются термопары с керамическими чехлами и платиновыми наконечниками, предназначенные для использования в химически агрессивных и высокотемпературных средах. Применение платинового наконечника в качестве защитного чехла позволяет избежать разрушения наружного чехла вследствие химического и абразивного воздействия расплава (особенно в устройствах отбора стекла), повысить скорость измерения и отследить резкие колебания температуры, повышая тем самым качество продукции.
Известен термопреобразователь, включающий взаимосвязанные между собой и смонтированные в оболочке функциональные узлы - термочувствительный узел с минеральной изоляцией, рабочим спаем и узел заделки выводных проводников, при этом термопреобразователь снабжен размещенным на оболочке защитным чехлом, который, по одному из вариантов, выполнен из тугоплавких цветных металлов и контактирует своей внутренней поверхностью с внешней поверхностью оболочки термочувствительного узла, а длина защитного чехла выполнена равной или превышающей длину рабочей зоны термопреобразователя. (1).
Недостатком известного термопреобразователя является сложность технологии засыпки минеральной изоляции в виде порошка при изготовлении термопреобразователей с диаметром сечения защитного чехла до 9-10 мм., и ухудшение качества термопреобразователей в процессе эксплуатации, т.к. при образовании пустот в засыпке при их эксплуатации возможна диффузия дополнительных ингредиентов из платиносодержащих термоэлектродов, а также высокая стоимость термопреобразователей из-за дорогостоящего сплава, используемого для защитного чехла больших длин и диаметров.
Известен также эталонный термоэлектрический преобразователь, состоящий из термоэлектродов, изолированных друг от друга, соединенных на одном конце, выполненных из платиносодержащих материалов и помещенных в чехол, при этом термоэлектроды изолированы друг от друга и от чехла порошком из минеральной изоляции, а чехол выполнен из жаростойкого сплава, например, из сплава, содержащего платину и родий. (2)
Недостатком известного устройства также является сложность технологии засыпки минеральной изоляции в виде порошка при изготовлении термопреобразователей большой длины с диаметром сечения защитного чехла до 9-10 мм. Кроме того, использованием дорогостоящего сплава, содержащего платину и родий, для изготовления защитного чехла обусловлена высокая стоимость термопреобразователей.
Наиболее близким техническим решением по назначению, технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрический преобразователь, предназначенный для измерения температуры расплавов стекла, включающий наружную предохранительную металлическую трубку, соединенную с головкой для размещения контактных клемм, платиносодержащие термоэлектроды, изолированные друг от друга керамической соломкой с каналами и помещенные в защитную арматуру, состоящую из внутреннего и наружного керамических чехлов, при этом конец наружной поверхности внутреннего керамического чехла армирован платиновым наконечником, зафиксированным нижним концом наружного керамического чехла. (3)
Недостатком данного термопреобразователя является снижение надежности конструкции при эксплуатации, т.к. при периодических замерах температуры из-за различия коэффициентов теплового расширения металла и керамики возможно ослабление крепления и смещение армирующего платинового наконечника и повреждение поверхности керамического чехла. Для повышения надежности крепления платинового наконечника приходится увеличивать толщину его стенок и длину, вводя наконечник в наружный керамический чехол, что обуславливает повышение себестоимости термоэлектрического преобразователя.
Техническим эффектом заявляемого в качестве изобретения термоэлектрического преобразователя для высокотемпературных и агрессивных сред является повышение надежности термоэлектрического преобразователя при использовании, и снижении его себестоимости при изготовлении.
Техническим результатом при использовании заявляемого технического решения является повышение надежности фиксации защитного платинового чехла на поверхности внутреннего керамического чехла и возможность уменьшения толщины стенок защитного платинового чехла.
Для достижения указанного технического результата в термоэлектрическом преобразователе для высокотемпературных и агрессивных сред, включающем платиносодержащие термоэлектроды, изолированные друг от друга керамической соломкой и помещенные в защитную арматуру, состоящую из наружного и внутреннего керамических чехлов, и установленный на наружной поверхности внутреннего керамического чехла платиновый наконечник, зафиксированный нижним концом наружного керамического чехла, согласно изобретению, на наружной поверхности внутреннего керамического чехла в зоне крепления платинового наконечника выполнена одна или несколько лысок с эллипсоидной или пирамидальной усеченной поверхностью, а платиновый наконечник обжат по поверхности внутреннего керамического чехла и вдавлен в лыски, при этом лыски на поверхности внутреннего керамического чехла выполнены с расположением большей оси эллипсоидной поверхности или пирамидальной усеченной поверхности вдоль образующей линии поверхности внутреннего керамического чехла или под углом к ней и со смещением их по окружности и по продольной оси внутреннего керамического чехла и размещены по спиральной линии, кроме того, глубина лысок на поверхности внутреннего керамического чехла не превышает 1/3 толщины стенки керамического чехла.
В заявляемом техническом решении выполнение лысок на наружной поверхности внутреннего керамического чехла термопреобразователя позволяет повысить надежность фиксации платинового наконечника, обжимаемого по поверхности керамического чехла и вдавленного в лыски, и обуславливает возможность значительного уменьшения толщины платинового наконечника.
Эти признаки являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата и определяют изобретательский уровень заявляемого технического решения.
Выполнение лысок с расположением большей оси образующейся эллипсоидной поверхности или пирамидальной усеченной поверхности вдоль образующей линии поверхности внутреннего керамического чехла или под углом к ней, со смещением по окружности и по продольной оси керамического чехла, ведущим к расположению их по спиральной линии, позволяет варьировать величиной усилия обжима платинового наконечника и толщиной его стенок. При определенных производственных условиях, задающих тип термоэлектрического преобразователя, и толщину стенки платинового наконечника, выбирается оптимальная форма поверхности лысок, их расположение, глубина и количество на поверхности внутреннего керамического чехла. Выполнение лыски с эллипсоидной поверхностью потребует меньшего усилия обжима и может использоваться при большей толщине платинового наконечника, а выполнение лысок с пирамидальной усеченной поверхностью повысит надежность крепления платинового наконечника и обуславливает возможность уменьшения толщины его стенки. Ограничение глубины лысок 1/3 толщины стенки внутреннего керамического чехла позволит сохранить достаточную прочность последнего. Предлагаемая форма поверхности лысок при выполнении их по эллипсоидной или пирамидальной усеченной поверхности и размещение на поверхности внутреннего керамического чехла со смещением, определяющим их расположение по спиральной линии, уточняет возможные варианты выполнения лысок.
Пример выполнения заявляемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1. представлен продольный разрез термоэлектрического преобразователя с двумя термопарами;
На фиг 2 дан поперечный разрез А-А на фиг 1;
На фиг 3 представлена выноска Б с фиг 2: варианты выполнения лысок с эллипсоидной поверхностью и пирамидальной усеченной поверхностью.
На фиг.4 показано выполнение лысок с эллипсоидной поверхностью с расположением большей оси параллельно центральной оси внутреннего керамического чехла.
На фиг.5 показано выполнение лысок с пирамидальной усеченной поверхностью с расположением большей оси под углом к центральной оси внутреннего керамического чехла.
Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред содержит две термопары, состоящие из платинородиевого 1 и платинового 2 термоэлектродов, изолированных друг от друга четырехканальной керамической соломкой 3 и заключенных во внутренний керамический чехол 4 и наружный керамический чехол 5, предназначенные для защиты термопар от агрессивного воздействия высокотемпературной среды. Выступающий из наружного керамического чехла 5 конец внутреннего керамического чехла 4 по наружной поверхности армирован для защиты термопар от химического и абразивного воздействия среды платиновым наконечником 6, зафиксированный нижним концом наружного керамического чехла и слоем 7 термостойкого связующего. На наружной поверхности наружного конца керамического чехла 4 выполнены лыски 8 с эллипсоидной поверхностью или 9 - с пирамидальной усеченной поверхностью. Лыски выполнены с расположением большей оси эллипсоидной или пирамидальной усеченной поверхности параллельно центральной оси 10 цилиндрической поверхности керамического чехла или под углом к ней и размещены со смещением по окружности и вдоль продольной оси последнего, что определяет их расположение по спиральной линии 11. На наружный керамический чехол 5 надета и закреплена слоем термостойкого связующего и винтом 12 предохранительная металлическая трубка 13, служащая для соединения наружного керамического чехла 5 с головкой 14, предназначенной для размещения контактных клемм 15, которые служат для соединения термоэлектродов термопар с коммутационными проводами измерительной цепи электронного прибора (на чертеже не показаны).
При сборке термоэлектрического преобразователя на наружной поверхности внутреннего керамического чехла выполняют лыски 8 или 9 на глубину не более 1/3 толщины стенки керамического чехла, располагая их большие оси параллельно центральной оси 10 внутреннего керамического чехла или под углом к последней и по спиральной линии 11. Защитный платиновый наконечник 6 обжимается по поверхности внутреннего керамического чехла 4 и по поверхности лысок 8 или 9, после чего внутренний керамический чехол, с размещенными в нем термопарами, закрепляется специальным термостойким связующим 7 в наружном керамическом чехле 5, нижним концом которого фиксируется также платиновый наконечник. Затем во внутреннем керамическом чехле 4 помещаются термопары 1 и 2 в керамической соломке 3, и внутренний керамический чехол размещается внутри наружного керамического чехла 5. После установки на поверхности наружного керамического чехла 5 и закрепления слоем термостойкого связующего и винтом 12 предохранительной металлической трубки 13, служащей для соединения наружного керамического чехла 5 с головкой 14, выводы термоэлектродов 1 и 2 закрепляются на контактных клеммах 15, которые служат для соединения термоэлектродов термопар с коммутационными проводами измерительной цепи электронного прибора (на чертеже не показаны).
При измерении температуры расплава стекла наружный конец внутреннего керамического чехла 4, армированный платиновым наконечником 6 постепенно опускают в расплав стекла. Величина термоэлектродвижущей силы, возникающей между свободными концами платинового 2 и платинородиевого 1 термоэлектродов в головке 14, преобразуется в удобные для отсчета или регистрации показания электронного измерительного прибора, подключаемого коммутационными проводами (на чертежах не показаны) к контактам клеммы 15 в головке 14
По показаниям электронного измерительного прибора определяют температуру расплава стекла.
Благодаря надежности фиксации платинового наконечника исключается возможность механического повреждения внутреннего керамического чехла с размещенным в нем спаем термопар, повышается надежность термопреобразователя и обеспечивается возможность уменьшения толщины стенок и длины платинового наконечника, т.к. для защиты поверхности выступающего конца внутреннего керамического чехла становится достаточным использования платинового наконечника с толщиной фольги и длиной, соответствующей глубине погружения термопреобразователя в рабочую среду.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Описание к полезной модели РФ 
23334 по кл. G01R 19/03, опубликована 10.06.2002.
2. Описание к полезной модели РФ 39704, МПК: G01K 15/00, опубликована. 10/04/2004 г.
3. Описание к патенту на полезную модель РФ 57515 по кл. H01L 35/00, опубликовано 10.10.2006 г. (Прототип)
1. Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред, включающий платиносодержащие термоэлектроды, изолированные друг от друга керамической соломкой и помещенные в защитную арматуру, состоящую из наружного и внутреннего керамических чехлов, и установленный на наружной поверхности внутреннего керамического чехла платиновый наконечник, зафиксированный нижним концом наружного керамического чехла, отличающийся тем, что на наружной поверхности внутреннего керамического чехла в зоне крепления платинового наконечника выполнена одна или несколько лысок, а платиновый наконечник обжат по поверхности внутреннего керамического чехла и вдавлен в лыски.
2. Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред по п.1, отличающийся тем, что лыски выполнены с эллипсоидной или усеченной пирамидальной поверхностью.
3. Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред по п.1, отличающийся тем, что лыски выполнены с расположением большей оси образующейся эллипсоидной поверхности или конусно-эллипсоидной поверхности вдоль образующей линии поверхности внутреннего керамического чехла или под углом к ней и их глубина не превышает 1/3 толщины стенки внутреннего керамического чехла.
4. Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред по п.2, отличающийся тем, что лыски на поверхности внутреннего керамического чехла выполнены с расположением большей оси эллипсоидной поверхности или усеченной пирамидальной поверхности вдоль образующей линии наружной поверхности внутреннего керамического чехла или под углом к образующей линии.
5. Термоэлектрический преобразователь для высокотемпературных и агрессивных сред по п.1, отличающийся тем, что лыски на поверхности внутреннего керамического чехла выполнены со смещением по окружности и по продольной оси внутреннего керамического чехла и расположены по спиральной линии.
