Высокотемпературный герметичный термопреобразователь

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры высокотемпературных процессов в газодинамике в условиях воздействия высоких давлений и газодинамического напора.

Известно устройство с высокотемпературной термопарой с защитным наконечником, которое способно обеспечить с допустимой погрешностью многократные измерения в среде с температурой 1500-1600°С. Среда измерения при этом характеризуется высоким уровнем механического воздействия и избыточного давления на термопару (Данишевский Д.С., Сведе-Швец Н.И. Высокотемпературные термопары, М., Металлургия, 1977, с. 117-120).

Однако, известное устройство, хотя и обеспечивает защиту термопары от указанных воздействий среды за счет введения защитного наконечника, но обладает недостаточной надежностью, т.к. в случае нарушения механической целостности защитного наконечника происходит разрушение термопарных проводов, прорыв высокотемпературных газов во внешнюю среду с возможностью разрушения и возгорания элементов внешних конструкций.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте РФ №2467295, кл. G01K 7/16, 2012 г. Данное устройство включает контрольный узел давления, связанный через канал контроля с термопреобразователем, состоящим из термопары в защитной гильзе с посадочным фланцем, обеспечивающим герметичное соединение термопары в защитной гильзе с технологической установкой. Устройство имеет канал контроля давления, который выполнен в виде промежуточной герметичной полости, образованной между рабочей средой и внешней средой. Посадочный фланец выполнен составным - из силового и контактного фланцев, а промежуточная герметичная полость образована последовательно сообщающимися между собой узким сквозным отверстием в силовом фланце, частью внутренней цилиндрической поверхности уплотнительной прокладки между фланцами, выбранным в силовом фланце горизонтальным узким пазом, ограниченным плоскостью контактного фланца, кольцевой фаской на центральном отверстии силового фланца, зазором между цилиндрической поверхностью этого же отверстия и лыской на посадочной поверхности защитной гильзы в верхней части контактного фланца, а также узким кольцевым зазором между измерительным зондом, его уплотнительным кольцом и защитной гильзой.

Однако анализ прототипа выявляет его существенный недостаток, который заключается в его низкой надежности при эксплуатации в условиях воздействия высоких механических нагрузок и давлений со стороны измеряемой газовой среды.

Это обусловлено наличием недостаточной степени устойчивости конструкции к воздействию повышенных давлений и механических нагрузок, так как, герметизация магистрали в месте установки термопреобразователя производится преимущественно за счет использования защитной гильзы. Дополнительным разграничителем измеряемой среды от внешней среды является, с одной стороны конструкции, мембрана датчика давления, подсоединенного к каналу контроля давления. С другой стороны, для этого служит, уплотнение выводов термопроводников термопреобразователя. Причем наличие указанных дополнительных разграничителей не приводит к сколь-нибудь существенному повышению надежности конструкции с точки зрения повышения ее надежности в условиях воздействия повышенного давления и механических нагрузок со стороны измеряемой газовой среды, т.к. функционально не предназначено для этого.

Подобно аналогу, в случае нарушения механической целостности защитного наконечника происходит разрушение термопарных проводов, разгерметизация выводов термопарных проводов в месте их выхода из термопреобразователя или мембраны датчика давления, прорыв высокотемпературных газов во внешнюю среду с возможностью разрушения и возгорания элементов внешних конструкций.

Ожидаемым техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности высокотемпературного герметичного термопреобразователя путем исключения возможности его разгерметизации.

Указанный технический результат достигается тем, что в высокотемпературном герметичном термопреобразователе, включающем металлический корпус, выполненный в виде цилиндра с наружным резьбовым соединением с посадочным фланцем, имеющий продольный осевой канал, в котором герметично с помощью сварки установлена термопара, представляющая собой металлическую трубку с керамической вставкой, в которой проходят термопарные провода, соединенные в области конца трубки в рабочий спай. Термопара закрыта защитной гильзой, соединенной герметично с помощью сварки с металлическим корпусом, а герметичность подсоединения к объекту измерения осуществляется по посадочному фланцу металлического корпуса.

К металлическому корпусу со стороны, противоположной рабочему спаю термопары, герметично подсоединена первая металлическая гильза цилиндрической формы с наружным фланцем, к которой герметично подсоединен гофрированный металлорукав с расположенным внутри него термопарой. Второй конец гофрированного металлорукава по своей внешней поверхности герметично подсоединен ко второй металлической гильзе цилиндрической формы с наружным фланцем, которая по своей внешней стороне герметично подсоединена к фланцу кожуха герморазъема, заполненного термостойким герметиком и герметично подсоединенного к вкладышу герморазъема, к которому герметично подсоединен герморазъем, к контактам которого подсоединены провода термопары, причем герметичное подсоединение обеих металлических гильз к гофрированному металлорукаву, а также к металлическому корпусу и фланцу кожуха герморазъема осуществляется с помощью лазерной сварки.

На фиг. 1 изображен общий вид высокотемпературного герметичного термопреобразователя.

Высокотемпературный герметичный термопреобразователь содержит металлический корпус 1 термопреобразователя, термопару 2, представляющую собой металлическую трубку с керамической вставкой, в которой проходят термопарные провода, соединенные в области конца трубки в рабочий спай 3. Для герметизации и защиты от внешних воздействий рабочего спая и термопары служит защитная гильза 4, привареннная к металлическому корпусу 1. Высокотемпературный герметичный термопреобразователь устанавливается на объекте измерения с помощью резьбы на наружной поверхности металлического корпуса 1. Далее термопара 2 проходит через первую металлическую гильзу 5, гофрированный металлорукав 6, вторую металлическую гильзу 7 и вводится во фланец кожуха герморазъема 8. Далее термопарные провода подсоединяются к контактам герморазъема 11, через которые производится подсоединение термопреобразователя к внешним электрическим цепям. Герморазъем 11 с помощью вкладыша 10 герметично присоединяется к кожуху 8. Герметичность подсоединения обеих металлических гильз к гофрированному металлорукаву 6, а также к металлическому корпусу 1 и фланцу кожуха 8 герморазъема осуществляется с помощью лазерной сварки. Дополнительная герметизация термопары 2 от внешней среды осуществляется путем заполнения кожуха 8 термостойким герметиком 9.

Высокотемпературный герметичный термопреобразователь работает следующим образом. При проведении измерений термопреобразователь устанавливается в штуцер магистрали с протекающим высокотемпературным газовым потоком по резьбе на внешней поверхности металлического корпуса 1. Для герметизации и уплотнения термопреобразователя в месте его установки по фланцу, как правило, используется соединение в соответствии с ГОСТ19749 или ГОСТ19751 и шайбой по ГОСТ19752. Гофрированный металлорукав 6 с термопарой 2 далее закрепляется от места установки в штуцере до места стыковки герморазъема 11 с внешними электрическими цепями. При этом герметизация магистрали с протекающим высокотемпературным газом от внешней среды осуществляется с помощью нескольких высокоэффективных последовательно расположенных гермоуплотнений внутри термопреобразователя:

- защитной гильзы;

- сварочного соединения металлический корпус-металлическая трубка термопары;

- сварочного соединения металлический корпус-первая металлическая гильза-гофрированный металлорукав;

- металлорукава;

- сварочного соединения гофрированный металлорукав-вторая металлическая гильза-фланец кожуха герморазъема;

- кожуха герморазъема с высокотемпературным герметиком;

- герморазъемом.

Таким образом, предлагаемое исполнение высокотемпературного герметичного термопреобразователя позволяет повысить надежность его функционирования путем повышения степени его герметичности, что позволяет исключить разгерметизацию и прорыв высокотемпературных газов во внешнюю среду с разрушением и возгоранием элементов внешних конструкций.

Проведенные испытания показали повышенные характеристики надежности термопреобразователя при проведении измерений высокотемпературных газовых потоков в условиях воздействия динамического напора и повышенного давления.