Устройство для измерения высоких температур
Полезная модель относится к устройствам для измерения высоких температур, в частности, к устройствам для оптического пирометрического измерения температуры, и может быть использована в вакуумных печах при проведении термических процессов в диапазоне температур от 600 до 3000°С,
Устройство для измерения высоких температур в вакууме содержит пирометр 1, смотровую трубку 2, установленную в патрубке 3 стенки вакуумной теплоизолированной печи 4 и примыкающую к смотровому окну 5 посредством вакуумных прокладок 6. Смотровая трубка 2 состоит из трех частей: рабочей - 7 с глухим торцом 8, средней - 9, размещенной в теплоизоляции 10 печи, зафиксированной в ней гайками 11, и монтажной части 12, смонтированной в патрубке 3 стенки печи с помощью вакуумных прокладок 6. Концы рабочей, средней и монтажной частей трубки соединены посредством резьбы. Рабочая часть 7 снабжена теплоизоляцией 13, закрепленной на ней гайками 14. и выполненной из волокнистого углеродного или керамического материала. Рабочая и средняя части 7 и 9 смотровой трубки, изготовлены из графита прошедших отжиг при температуре не менее 2000 С в аргоне или в вакууме, а фиксирующие гайки 11 и 14 - из графита или углерод-углеродного композитного материала, монтажная часть - из нержавеющей жаропрочной стали или тугоплавких металлов.
Использование теплоизоляции на рабочей части трубки устраняет погрешности замера температуры, связанные с локальным охлаждением смотровой трубки при напуске газа. Выполнение смотровой трубки из графита, отожженного при температуре не менее 2000°С в вакууме или аргоне, исключает выделение летучих веществ, оседающих на смотровом окне и мешающих получению корректного сигнала. Возможность перемещения рабочей части смотровой трубки посредством резьбового соединения со средней частью трубки обеспечивает возможность определения температуры в различных областях рабочего пространства печи, что расширяет технологические возможности устройства.
Илл.2
Полезная модель относится к устройствам для измерения высоких температур, в частности, к устройствам для оптического пирометрического измерения температуры, и может быть использована в вакуумных печах при проведении термических процессов в диапазоне температур от 600 до 3000°С,
В настоящее время для измерения высоких температур в вакуумных печах используют пирометры, основанных на разных принципах действия. Например, применение термопарных пирометров, горячий спай которых вводится в рабочее пространство печи, ограничено, как диапазоном измерения температур (до 1600°С) и стойкостью материалов электродов, так и высокотемпературной электрической проводимостью керамической изоляции, в которой размещены электроды.
Оптические пирометры широко, применяемые для измерения высоких температур вплоть до 3000°С, имеют серьезные трудности при измерении температуры в атмосфере газов, паров веществ, пыли, что требует дополнительных средств защиты смотровых окон (фильтров, затворов, диафрагм, систем продувки газом под давлением и другое). Кроме того, тепловое излучение от окружающих объектов может привести к ошибке измерений.
Известно устройство для измерения температуры (патент США 2005/0157773 А1, М. кл. G01K 1/12, 3.26.09.2002 г.), содержащее оптический пирометр, вводимую в ванну с расплавом смотровую трубку, на одном конце которой выполнен глухой торец с внутренней графитовой подложкой, на другом - монтажная пластина для крепления пирометра. Трубка выполнена из огнеупорного материала на основе оксида алюминия (Тпл 2053°С).
Однако, известное устройство для измерения высокой температуры не может быть использовано в высокотемпературных вакуумных печах, так как огнеупорный материал смотровой трубки не выдерживает температуры до 3000°С.
Известно также устройство для измерения высоких температур (патент США 1197455, G01K 5/50, з. 08.07.1970 г.), включающее измерительную трубку, вводимую в ванну с расплавом и состоящую, например, из двух соединенных между собой элементов, один из элементов выполнен с глухим торцом и подложкой из стопки пластин из анизотропного пиролитического графита, другой элемент трубки связан со стрелочным индикатором измерения дифференциального расширения элементов трубки посредством стержня, размещенного внутри трубки и контактирующего с подложкой. Устройство используется в диапазоне температур 1340-1460°С.
Однако, при термическом расширении возможно возникновение пластической деформации пластин пиролитического графита, что не позволяет корректно определить температуру по расширению пластин графита.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения высоких температур, описанное в патенте США 
452080, МКИ кл. G01K 3/00, 3.03.02.1983 г. Устройство для измерения высоких температур содержит оптический пирометр для измерения температуры, смотровую трубку, газовый затвор для импульсной очистки канала смотровой трубки. Смотровая трубка выполнена из графита и имеет монтажную и рабочую части. Монтажная часть установлена в стенке печи и примыкает к смотровому окну. Рабочая часть выполнена с отверстием для сбрасывания продувочного газа и с глухим торцом, контактирующим с графитовым блоком. Последний предназначен для передачи теплого излучения из рабочего пространства печи. Газовый затвор размещен в монтажной части трубки и представляет собой камеру для содержания под высоким давлением продувочного инертного газа с трубопроводом для подачи газа, шаровой кран с отверстием, связанный с электрическим соленоидом.
Измерение температуры на глухом торце трубки, контактирующем с графитовым блоком, обеспечивается после продувки канала рабочей части трубки. При повороте крана газ вводится в смотровую трубку, а затем сбрасывается через предусмотренное отверстие в ее рабочей части. При этом через отверстие шарового крана обеспечивается свободный доступ в канал рабочей части смотровой трубки для оптического зондирования теплового излучения глухого торца трубки. Частота повторения измерений может осуществляться с любой удобной скоростью в зависимости от металлургического процесса, проводимого в печи. Скорость повторения может автоматически контролироваться синхронизацией соленоида.
Недостаток известного устройства для измерения высоких температур заключается в многократном сбрасывании инертного продувочного газа через отверстие в рабочей части смотровой трубки в рабочее пространство печи, что не позволит использовать устройство в высокотемпературных вакуумных печах, работающих в условиях высокого вакуума. При этом внесение в атмосферу печи очищающего газа с загрязняющими примесями может оказаться нежелательным, например, при термообработке изделий, предназначенных для электроники, или изделий из титановых сплавов и циркония.
Кроме того, наличие газового затвора усложняет конструкцию устройства.
При этом, в режиме термической операции, предусматривающей напуск газа в объем печи, отсутствие тепловой защиты рабочей части трубки приводит к охлаждению цилиндрической поверхности рабочей части трубки с передачей некорректного, ложного сигнала на управление печи.
Задача настоящей полезной модели состоит в разработке устройства для измерения высоких температур, позволяющего использовать его в высокотемпературных вакуумных печах и обеспечивающего точность измерения температуры при напуске газа.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения высоких температур, содержащем оптический пирометр и смотровую трубку, имеющую монтажную и рабочую с глухим торцом части, согласно полезной модели, смотровая трубка выполнена разъемной и снабжена средней частью, смонтированной в теплоизоляции вакуумной печи с помощью гаек и связанной с монтажной и рабочей частями посредством резьбовых соединений, а рабочая часть смотровой трубки снабжена теплоизоляцией, зафиксированной на ней гайками, при этом рабочая и средняя части смотровой трубки выполнены из графита, отожженного при температуре не менее 2000°С в вакууме или аргоне.
Причем фиксирующие гайки выполнены из графита или углерод-углеродного композиционного материала.
При этом теплоизоляция рабочей части смотровой трубки выполнена из волокнистого углеродного или керамического материала.
Кроме того, монтажная часть выполнена из нержавеющей жаропрочной стали или тугоплавких металлов.
Такое конструктивное выполнение устройства для измерения высоких температур позволит использовать его в высокотемпературных вакуумных печах и обеспечить точный замер температуры изделия при напуске газа по окончании рабочего процесса. Это достигается 1) в результате использования теплоизоляции на рабочей части трубки, что исключает погрешности замера температуры, связанные с локальным охлаждением смотровой трубки при определении скорости охлаждения изделия; 2) вследствие выполнения смотровой трубки из графита, отожженного при температуре не менее 2000°С в вакууме или аргоне. Исходный графит для термообработки должен быть высокого качества, т.е. обладать максимальная плотностью, отсутствием открытой пористости, гладкой поверхностью и т.д.. Такой материал при термических процессах при высоких температурах не выделяет летучих веществ, оседающих на смотровом окне и мешающих получению корректного сигнала.
Кроме того, возможность перемещения рабочей части смотровой трубки посредством резьбового соединения со средней частью трубки, смонтированной в теплоизоляции вакуумной печи, обеспечивает возможность определения температуры в различных областях рабочего пространства печи, что расширяет технологические возможности устройства.
Для пояснения полезной модели приводится конкретный пример выполнения полезной модели ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 - устройство для измерения высоких температур, размещенное в вакуумной печи, поперечный разрез;
на фиг.2 - изображено устройство для измерения высоких температур, смотровая трубка, продольный разрез.
Устройство для измерения высоких температур в вакууме содержит пирометр 1, например, Marathon MR1, смотровую трубку 2, установленную в патрубке 3 стенки вакуумной теплоизолированной печи 4 и примыкающую к смотровому окну 5 посредством вакуумных прокладок 6. Смотровая трубка 2 состоит из трех частей: рабочей - 7 с глухим торцом 8, средней - 9, размещенной в теплоизоляции 10 печи, зафиксированной в ней гайками 11, и монтажной части 12, смонтированной в патрубке 3 стенки печи с помощью вакуумных прокладок 6. Концы рабочей, средней и монтажной частей трубки соединены посредством резьбы. Рабочая часть 7 снабжена теплоизоляцией 13, закрепленной на ней гайками 14. и выполненной из волокнистого углеродного или керамического (например, из оксида тория) материала.
Рабочая и средняя части 7 и 9 смотровой трубки, изготовлены из графита, прошедшего отжиг при температуре не менее 2000°С в аргоне или в вакууме, а фиксирующие гайки 11 и 14 - из графита или углерод-углеродного композитного материала, монтажная часть - из нержавеющей жаропрочной стали или тугоплавких металлов, например, Nb, Mo, Ta, W.
Устройство для измерения высоких температур работает следующим образом.
Количество теплового излучения, исходящего от глухого торца 8 рабочей части 7 смотровой трубки, измеряется оптическим пирометром 1 и преобразуется в показания температуры термообрабатываемого изделия. При напуске газа не происходит локального охлаждения рабочей части смотровой трубки. По показаниям пирометра можно определять скорость охлаждения изделия. Кроме того, устройство позволяет измерять температуру в непрерывном режиме.
Перемещение рабочей части смотровой трубки для определения температуры в иной точке рабочего пространства осуществляется в холодной печи по резьбовому соединению.
Предложенное устройство для измерения высоких температур по сравнению с известными позволит использовать его в высокотемпературных вакуумных печах (до 3000°С) и обеспечить точность измерения температуры при напуске газа по окончании рабочего процесса.
1. Устройство для измерения высоких температур, содержащее оптический пирометр и смотровую трубку, имеющую монтажную и рабочую с глухим торцом части, отличающееся тем, что смотровая трубка выполнена разъемной и снабжена средней частью, смонтированной в теплоизоляции вакуумной печи с помощью гаек и связанной с монтажной и рабочей частями посредством резьбовых соединений, а рабочая часть смотровой трубки снабжена теплоизоляцией, зафиксированной на ней гайками, при этом рабочая и средняя части смотровой трубки выполнены из графита, отожженного при температуре не менее 2000°C в вакууме или аргоне.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фиксирующие гайки изготовлены из графита или углерод-углеродного композиционного материала.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплоизоляция рабочей части смотровой части выполнена из волокнистого углеродного или керамического материала.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что монтажная часть выполнена из нержавеющей жаропрочной стали или тугоплавкого металла.
