Термоэлектрический преобразователь
Термоэлектрический преобразователь относится к области измерительной техники, а в частности к датчикам температуры, предназначенным для измерения температуры ответственных объектов (например, температуры сред корабельных энергетических установок). В термоэлектрическом преобразователе, содержащем одну или несколько термопар, представленных термоэлектродами с рабочим спаем, помещенными в защитный чехол, внутреннее пространство которого заполнено минеральной изоляцией, и круглый продольный канал, ось которого параллельна оси защитного чехла, продольный канал расположен в центре защитного чехла и выполнен герметичным по отношению к внутреннему объему защитного чехла на давление измеряемой среды на длине, не менее длины погружаемой части защитного чехла, пространство между внутренней поверхностью защитного чехла и продольным каналом на участке, превышающем длину погружаемой части защитного чехла, герметизировано на давление измеряемой среды, и термоэлектроды выполнены с поперечным сечением в виде части кольца, соосного с защитным чехлом. Использование полезной модели обеспечивает уменьшение диаметра термометра, создаваемого на основе предлагаемого термоэлектрического преобразователя, при повышении его быстродействия и надежности.
Заявляемый для защиты в качестве полезной модели термоэлектрический преобразователь относится к области измерительной техники, в частности, к датчикам температуры, которые используются непосредственно для измерения температуры или в качестве сменной термовставки в термометрах с дополнительной защитной арматурой и клемной колодкой, предназначенных для измерения температуры ответственных объектов (например, температуры сред атомных корабельных энергетических установок).
Известен термоэлектрический преобразователь, содержащий одну или несколько термопар, представленных термоэлектродами круглого сечения, помещенными в круглый защитный чехол, внутреннее пространство которого заполнено минеральной изоляцией, а рабочие спаи термопар обращены к торцу защитного чехла [1] (ГОСТ 23847-79, чертеж 4).
Недостатком данной конструкции является ограниченная возможность применения такого термоэлектрического преобразователя в качестве термовставки для создания термометров с дополнительным наружным защитным корпусом круглого сечения и малого диаметра, в котором должен быть расположен еще дополнительный внутренний круглый канал для ввода в него, в процессе эксплуатации, круглого контрольного (образцового или эталонного) датчика температуры. Ввод контрольного датчика температуры в штатный термометр необходим для контроля его метрологических характеристик в процессе эксплуатации и без его демонтажа с объекта контроля, например, способом по изобретению 
2299408. [2]. Снять термометр с объекта контроля для его метрологической поверки, например, по ГОСТ 8.338-2002 «Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки», не всегда возможно, например, при эксплуатации корабельной энергетической установки, так как требуется ее остановка и разгрузка от избыточного давления, что не всегда допустимо во время рейса.
Наличие во внутреннем круглом пространстве дополнительного корпуса еще двух круглых тел: термоэлектрического преобразователя и дополнительного контрольного канала ведет к увеличению диаметра корпуса термометра и, как следствие, к увеличению его массы и снижению быстродействия (увеличению показателя тепловой инерции) всего термометра. Это отрицательно сказывается на работе энергетической установки (особенно атомной) за счет процессов перерегулирования. Простое уменьшение диаметра термоэлектрического преобразователя ведет к уменьшению площади поперечного сечения жил термопар и, как следствие, к снижению их срока службы и надежности. Уменьшение диаметра дополнительного канала ограничивается диаметром контрольного датчика и необходимым зазором между ним и каналом, который должен быть тем больше, чем длиннее термометр из-за кривизны канала и датчика.
Известен термоэлектрический преобразователь, содержащий одну или несколько термопар, представленных термоэлектродами круглого сечения с рабочим спаем, помещенными в защитный чехол, внутреннее пространство которого заполнено минеральной изоляцией, на наружной поверхности защитного чехла выполнен один или несколько продольных каналов параллельных оси защитного чехла, а каналы могут быть выполнены различных поперечных сечений: круглого, в виде угловой канавки или плоской лыски [3] (Патент на полезную модель 69238).
Недостатком этой конструкции является ограниченная возможность использования такого термоэлектрического преобразователя при создании на его основе малоинерционного надежного термометра с возможностью бездемонтажного контроля его метрологических характеристик. При контроле температуры агрессивных сред, которые находятся под избыточным давлением, его необходимо помещать в дополнительный защитный корпус, что ведет к увеличению диаметра термометра и его массы, а следовательно, к снижению быстродействия (повышению показателя тепловой инерции). Кроме того, продольный канал выполнен не герметичным, что при разрушении наружного дополнительного корпуса (арматуры термометра) ведет к невозможности установки в канал негерметичного, или не выдерживающего давление измеряемой среды объекта контроля, контрольного датчика температуры, а при разрушении и защитного чехла самого термоэлектрического преобразователя весь термометр становится полностью неработоспособным. Это ведет к потере информации о температуре части объема объекта контроля и возможным авариям.
Техническим результатом от использования полезной модели является уменьшение диаметра термометра, создаваемого на основе предлагаемого термоэлектрического преобразователя, при повышении его быстродействия и надежности.
Указанный результат достигается тем, что в термоэлектрическом преобразователе, содержащем одну или несколько термопар, представленных термоэлектродами с рабочим спаем, помещенными в защитный чехол, внутреннее пространство которого заполнено минеральной изоляцией, и круглый продольный канал, ось которого параллельна оси защитного чехла, согласно полезной модели продольный канал расположен в центре защитного чехла и выполнен герметичным по отношению к внутреннему объему защитного чехла на давление измеряемой среды на длине, больше длины погружаемой в измерительную среду части защитного чехла, и пространство между внутренней поверхностью защитного чехла и наружной поверхностью продольного канала, на участке, свыше длины погружаемой части защитного чехла герметизировано на давление измеряемой среды, при этом, термоэлектроды выполнены с сечением в виде части кольца (полого цилиндра), наружная поверхность которого параллельна поверхности защитного чехла, а внутренняя - поверхности продольного канала.
Размещение продольного канала в центре защитного корпуса позволяет производить бездемонтажный контроль показаний термоэлектрического преобразователя негерметичным контрольным датчиком и тем самым не помещать его в дополнительный корпус. Так как защитный чехол берет на себя функцию дополнительного защитного корпуса, то уменьшается диаметр термоэлектрического преобразователя и повышается его быстродействие с сохранением возможности контроля его метрологических характеристик в процессе эксплуатации.
Выполнение продольного канала герметичным по отношению к внутреннему объему защитного чехла на длине, которая больше длины погружаемой в измерительную среду части защитного чехла, повышает надежность эксплуатации предлагаемого термоэлектрического преобразователя, так как, при разрушении защитного чехла, например, вследствие коррозии от агрессивного воздействия теплоносителя объекта контроля, и выходе из строя штатных термопар из-за падения сопротивления изоляции и как следствие, неверности их показаний, остается возможность восстановить получение информации о температуре объекта контроля, посредством введения в герметичный, по отношению к внутреннему объему защитного чехла, продольный канал контрольного датчика температуры и подключения его к штатным измерительным и регулирующим устройствам. Так как продольный канал герметичен на длине не менее длины погружаемой части защитного чехла и выдерживает давление среды объекта контроля, то негерметичный контрольный датчик остается работоспособным, и по данным, получаемым с контрольного датчика, можно вести эксплуатацию объекта контроля (энергетической установки) определенное время (например, на судовой энергетической установке - до прибытия в порт). Герметизация на давление измерительной среды пространства между внутренней поверхностью защитного чехла и наружной поверхностью продольного канала на участке, свыше длины погружаемой части защитного чехла, обеспечивает невозможность поступления агрессивной (радиоактивной) измерительной среды за пределы термоэлектрического преобразователя и объекта контроля при разрушении защитного чехла и позволяет персоналу произвести установку контрольного датчика в аварийных ситуациях в продольный канал. Выполнение термоэлектродов термопреобразователя в поперечном сечении в виде части кольца, соосного с защитным корпусом, позволяет повысить надежность термоэлектрического преобразователя за счет увеличения площади и массы термоэлектрода (см. ГОСТ 1790-77, приложение 2), и повысить точность измерения температуры за счет снижения омического сопротивления термопары и предъявления меньших требований к входному сопротивлению вторичного прибора (вольтметра).
Пример выполнения заявленного термоэлектрического преобразователя приведен на чертежах.
На фиг.1 показан общий вид возможного исполнения предлагаемого термоэлектрического преобразователя при выполнении его с одной термопарой.
На фиг.2 представлено сечение А-А фиг.1.
На фиг.3 представлено сечение В-В фиг.1.
Термоэлектрический преобразователь содержит защитный чехол 1, выполненный например, из нержавеющей стали, торец 2 защитного чехла 1 герметично завальцован и оплавлен, круглый продольный канал 3, состоящий из трубки 4 и донышка 5, скрепленных, например, сваркой, размещенный в центре защитного чехла 1, термопару из термоэлектродов 6 и 7, например, из сплавов хромель и алюмель по ГОСТ 1790-77с рабочим спаем 8, размещенных между внутренней поверхностью защитного чехла 1 и наружной поверхностью продольного канала 3. Защитный чехол 1 установлен на объект контроля 9 и герметично закреплен на нем например, сварным швом 10.Часть защитного чехла 1 от стенки 9 объекта контроля до его торца, образует его погружную (монтажную) часть 11, которая находится под давлением измеряемой среды. Пространство между внутренней поверхностью защитного чехла 1 и наружной поверхностью продольного канала 3, на длине, не менее длины погружной части 11 защитного чехла 1, засыпано минеральной изоляцией 12, например, окисью магния или алюминия, а на оставшемся участке защитного чехла 1, между ним и продольным каналом 3, герметизировано, например, компаундом 13 (возможны другие виды герметизации, например, сальником). Состав компаунда 13 и технология его нанесения обеспечивают защиту от проникновения агрессивной измеряемой среды под давлением (на чертеже не показана) через него. Материал, размеры (диаметр, толщина стенок) и технология изготовления продольного канала 3 обеспечивают защиту его внутренней полости от воздействия максимально возможного давления измеряемой среды (на чертеже не показана). Термоэлектроды 6 и 7 выполнены с сечением в виде полуколец, соосных защитному чехлу 1, а рабочий спай 8 между ними выполнен сваркой и обращен к образующей защитного чехла 1 (могут быть выполнены один или два спая).
Термопреобразователь используется следующим образом. Термоэлектроды 6 и 7 подключаются непосредственно, или через компенсационные провода, к вторичным приборам (на чертеже не показаны) для преобразования термоэлектродвижущей силы термопары в электрический сигнал, которые используется для измерения и регулирования температуры объекта контроля.
В процессе эксплуатации термоэлектрического преобразователя под действием внешних воздействующих факторов (температуры, вибрации, радиации и т.п.) достоверность измерения им температуры снижается, а заменить его оперативно нельзя по технологическим причинам. Тогда в продольный канал 3 вводят контрольный (образцовый или эталонный) датчик температуры (на чертеже не показан) и по его показаниям судят о погрешности измерения, вводят поправки в соответствующие вторичные приборы.
При разрушении защитного чехла 1 от агрессивного воздействия контролируемой среды, нарушении изоляционных свойств минеральной изоляции 12, или обрыве термоэлектродов 6 и 7, вводят контрольный датчик (на чертеже не показан) в полость продольного канала 3, подключают его выводы непосредственно, или через согласующие устройства, к вторичным приборам измерения или регулирования температуры и ведут контроль температуры объекта до его возможной остановки, например, до прибытия в порт. Герметичность продольного канала 3 на длине, равной или большей длине погружной части 11 защитного чехла 1, заданной на максимальное давление измеряемой среды, в сочетании с герметизацией выводов термоэлектродов 6 и 7 компаундом 13, обеспечивает безопасный ввод негерметичного контрольного датчика (на чертеже не показан) во внутреннюю полость продольного канала 3 и предотвращение выхода измеряемой среды за пределы объекта контроля, тем самым повышается надежность контроля температуры объекта контроля в аварийных ситуациях. Эксплуатация предлагаемого термопреобразователя без дополнительного защитного корпуса, уменьшает его диаметр и повышает быстродействие, с сохранением возможности бездемонтажного контроля его метрологических характеристик в процессе эксплуатации. Увеличение сечения термоэлетродов 6 и 7 позволяет продлить срок их службы и снизить требования к техническим характеристикам вторичных приборов.
Использование заявляемого термоэлектрического преобразователя обеспечивает возможность контроля температуры контролируемого объекта контрольным датчиком при отказе термоэлектрического преобразователя в аварийных ситуациях.
Источники информации, принятые во внимание при оценки уровня техники:
1. ГОСТ 23847-7 «Термопреобразователи термоэлектрические кабельные типов КТХАС, КТХАСп, КТХКС», чертеж 4 (Копия прилагается)
2. Описание к патенту РФ 2299408 по кл. G01K 13/12, G01K 13/12, заявка 2006109703/28 от 28.03.2006 г., опубликовано 20.05.2007 г
3. Патент на полезную модель 69238 «Термоэлектрический преобразователь. (Прототип).
1. Термоэлектрический преобразователь, содержащий одну или несколько термопар, представленных термоэлектродами с рабочим спаем, помещенными в защитный чехол, внутреннее пространство которого заполнено минеральной изоляцией, и круглый продольный канал, ось которого параллельна оси защитного чехла, отличающийся тем, что продольный канал расположен в центре защитного чехла и выполнен герметичным по отношению к внутреннему объему защитного чехла на давление измеряемой среды на длине не менее длины погружаемой части защитного чехла, а пространство между внутренней поверхностью защитного чехла и продольным каналом на участке, превышающем длину погружаемой части защитного чехла, герметизировано на давление измеряемой среды.
2. Термоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение термоэлектродов выполнено в виде части кольца, соосного с защитным чехлом.
