×
12.04.2023
223.018.4417

Результат интеллектуальной деятельности: ТЕРМОПАРНЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002737604
Дата охранного документа
01.12.2020
Аннотация: Изобретение относится к области измерительной техники, преимущественно предназначено для измерения высоких температур и может быть использовано при исследованиях высокотемпературных потоков, расплавов и газовых сред. Предложен термопарный первичный преобразователь, который состоит из двух коаксиально расположенных электродов, диска и электроизоляционной втулки, у которого первый электрод выполнен в форме полого цилиндра, второй электрод расположен коаксиально внутри первого электрода, диск и электроизоляционная втулка размещены внутри полого цилиндра первого электрода и закреплены на его противоположных торцах, один из концов второго электрода закреплен в центре диска, а его другой конец вставлен внутрь электроизоляционной втулки и имеет возможность свободного перемещения в ней, при этом первый и второй электроды выполнены из пирографита, плоскость осаждения которого параллельна продольной оси первого электрода, а диск выполнен из графита. Технический результат - повышение точности измерения температуры с одновременным увеличением верхнего предела измеряемых температур и повышением надежности термопары. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и, преимущественно, предназначено для измерения высоких температур, вплоть до температуры 3200°С и может быть использовано при исследованиях высокотемпературных потоков, расплавов и газовых сред.

В данном классе измерений на современном уровне развития науки и техники применяются или известны следующие технические решения.

Известны термопары, образованные спаем из двух разнородных термоэлектродных материалов, например, таких как хромель-алюмель, медь-константан, вольфрам-рений, платина-платинородий и др. В основу работы таких термопар положен общий принцип - термоэлектрический эффект Зеебека. Конструкции всех термопар также подчинены общему принципу: концы разнородных термоэлектродных материалов соединяются (спаиваются, свариваются) между собой в одной точке, образуя рабочий спай термопары, при этом при измерении температур выше 1300°С для сохранности термопары ее электроды, как правило, помещают в охранные трубки, выполненные из окиси алюминия, магния, бериллия, тория и двуокиси циркония (Никонов Н. Термопары. Типы. Характеристики. Производство. - М.: ООО «МТК «Метотехника», 2015 - 62 с; Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И. и др. Температурные измерения. Справочник. - Киев: Наукова Думка, 1984 - 495 с). Верхний предел измеряемых температур ограничен значением 2200°С при длительном измерении и значением 2500°С - при кратковременном измерении.

Недостаток традиционно применяемых известных термопар -ограничение верхнего предела измеряемой температуры значением 2500°С, а также - существенное снижение точности измерений при высоких температурах, которое вызвано неконтролируемым изменением номинальной статической характеристики термопары, которое, в свою очередь, связано с также неконтролируемым изменением сопротивления электрической изоляции между термоэлектродами термопары из-за изменения проводимости газовой среды или электроизоляционного материала (например, керамики), заполняющими пространство между термоэлектродами.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой термопаре является высокотемпературная термопара (прототип), которая содержит два высокотемпературных электрода, соприкасающиеся друг с другом по всей их длине, один из электродов которой выполнен из тугоплавкого металла, например, вольфрама, а другой - из пиролитического графита (пирографита), плоскость осаждения которого параллельна длине электрода (Авт. свид. СССР №265491, МПК G01K, опубл. 09.03.1970, БИ №10).

Недостаток термопары-прототипа заключается в том, что она не обеспечивает требуемую высокую точность измерений и может применяться только до температур, не выше 3000°С. Относительно невысокая точность термопары обусловлена следующим. Так как свободные концы, или т.н. холодный спай термопары-прототипа при реальных измерениях всегда закреплен, поэтому вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) пирографита и вольфрама (Фиалков А.С., Бавер А.И., Сидоров Н.М. и др. Пирографит: получение, структура свойства. // Успехи химии, т. 34. №1. 1965. С. 132-153) при размещении горячего спая указанной термопары в среду с высокой температурой, в электродах возникают существенные термонапряжения, которые:

во-первых, могут привести к повреждению электродов и выходу из строя всей термопары;

во-вторых, появляется неконтролируемое изменение статической характеристики термопары, которое, в свою очередь, напрямую связано с энергетическим состоянием пирографитового электрода, т.е. с его термонапряжением. Это приводит к существенному снижению достоверности и точности получаемых результатов.

Второй указанный недостаток термопары обусловлен ограничением по предельной рабочей температуре (3000°С), которое накладывается температурой плавления электрода из тугоплавкого металла. Вследствие данных недостатков указанная термопара не нашла широкого применения в науке и в промышленности.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры с одновременным увеличением верхнего предела измеряемых температур и повышением надежности термопары.

Указанная цель достигается тем, что термопарный первичный преобразователь состоит из двух коаксиально расположенных электродов, диска и электроизоляционной втулки, у которого первый электрод выполнен в форме полого цилиндра, второй электрод расположен коаксиально внутри первого электрода, диск и электроизоляционная втулка размещены внутри полого цилиндра первого электрода и закреплены на его противоположных торцах, один из концов второго электрода закреплен в центре диска, а его другой конец вставлен внутрь электроизоляционной втулки и имеет возможность свободного перемещения в ней, при этом первый и второй электроды выполнены из пирографита, плоскость осаждения которого параллельна продольной оси первого электрода, а диск выполнен из графита.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлен эскиз заявленного термопарного первичного преобразователя, у которого: 1 - первый электрод, 2 - второй электрод, 3 - диск, 4 - электроизоляционная втулка. Закрепление одного из концов второго электрода 2 в диске 3, диска 3 и изолирующей втулки 4 в полом цилиндре первого электрода 1 осуществляется, например, при помощи резьбового соединения.

В предлагаемом термопарном первичном преобразователе недостатки прототипа устранены как за счет самой конструкции, так и за счет применения наиболее тугоплавких материалов конструктивных элементов (первый и второй электрод, диск), таких как графит и анизотропный пирографит, обладающих высокой температурой плавления, которая, по данным разных исследователей составляет 4530-5080 К (см. например: Савватимский А.И. Плавление графита и свойства жидкого углерода. М.: Физматкнига, 2013. - 257 с). В частности, конструкция термопарного первичного преобразователя полностью исключает влияние термонапряжений на статическую характеристику преобразователя, что обеспечивается возможностью свободного перемещения конца второго электрода 2 (стержня) внутри электроизоляционной втулки 4. Это устраняет первый указанный выше недостаток прототипа. Второй из указанных недостатков прототипа устраняется за счет использования графита и анизотропного пирографита в качестве электродных материалов, что повышает верхний предел измеряемой температуры вплоть до 3200°С.

Кроме того, с одновременным устранением недостатков заявленный термопарный первичный преобразователь в сравнении с прототипом обладает более высоким коэффициентом преобразования разницы температур в термоэдс, т.е. - более высокой чувствительностью. Это обеспечивается тем, что в результате использования трех конструктивных элементов - первого электрода 1, второго электрода 2 и диска 3, образуется термопарный первичный преобразователь, представляющий собой т.н. термостолбик - систему, состоящую из 2-х последовательно соединенных термопар. При этом, рабочий спай первой термопары образуется первым электродом 1 и диском 3, а рабочий спай второй термопары образуется диском 3 и вторым электродом 2. В результате этого заявленный термопарный первичный преобразователь при помещении его рабочих спаев в нагретую среду генерирует две термоэдс, суммарная от которых UΣ равна:

UΣ=2U23=2U13, (U13=U23).

При разработке заявленного термопарного первичного преобразователя использован известный факт того, что анизотропный пирографит, который имеет слоистую структуру и явно выраженную анизотропию тепловых и электрических свойств, в паре с обычным графитом создает регистрируемую величину термоэдс. Кроме этого, использован факт, который экспериментально установлен автором изобретения, и он заключается в том, что термическая пара из двух анизотропных пирографитов, ориентированных друг к другу перпендикулярно плоскостями их осаждения, создает также регистрируемую величину термоэдс.

Теромопарный первичный преобразователь работает следующим образом. Рабочие спаи преобразователя, образованные диском 3, первым 1 и вторым 2 электродами, помещаются в измеряемую среду, при этом противоположный торец преобразователя с электроизолирующей втулкой 4 находится при температуре окружающей среды и имеет, например, комнатную температуру. При выходе термопарного первичного преобразователя на стационарный тепловой режим на его выходе генерируется стационарная термоэдс UΣ, прямо пропорциональная температуре измеряемой среды. Указанная термоэдс измеряется соответствующим заданной точности вольтметром, затем, по заранее известной номинальной статической характеристике данного термопарного первичного преобразователя, определяется искомое значение температуры измеряемой среды.

Заявленный термопарный первичный преобразователь обладает высокой надежностью, точностью и может использоваться вплоть до температур 3200°С.

Термопарный первичный преобразователь, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов, диска и электроизоляционной втулки, у которого первый электрод выполнен в форме полого цилиндра, второй электрод расположен коаксиально внутри первого электрода, диск и электроизоляционная втулка размещены внутри полого цилиндра первого электрода и закреплены на его противоположных торцах, один из концов второго электрода закреплен в центре диска, а его другой конец вставлен внутрь электроизоляционной втулки и имеет возможность свободного перемещения в ней, при этом первый и второй электроды выполнены из пирографита, плоскость осаждения которого параллельна продольной оси первого электрода, а диск выполнен из графита.
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 21.
18.05.2018
№218.016.5200

Способ выравнивания температурного поля объекта, нагреваемого внешним источником энергии

Изобретение относится к области высоких технологий, осуществляемых на основе управляемых термодинамических процессов, и может быть использовано для получения высокоизотермичных температурных полей объектов, нагреваемых внешним источником энергии. Одна из наиболее востребованных сфер...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002653095
Дата охранного документа: 07.05.2018
01.07.2018
№218.016.6983

Квантовый трап-детектор

Изобретение относится к области измерительной техники и касается квантового трап-детектора. Квантовый трап-детектор содержит два фотодиода, установленные под заданным углом в виде клина, причем длина каждого фотодиода и угол между ними обеспечивают рассчитанное, для заданной точности,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659329
Дата охранного документа: 29.06.2018
23.04.2019
№219.017.36de

Способ измерения спектрального коэффициента излучения тела

Изобретение относится к измерительной технике в области теплофизики высоких температур и высокотемпературной метрологии. Заявленный способ включает сбор и фокусирование излучения от термостабилизированного тела, преобразование его полихроматического излучения в монохроматическое, измерение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002685548
Дата охранного документа: 22.04.2019
16.08.2019
№219.017.c03d

Способ измерения показателя инфракрасной видности и инфракрасной дальности видимости объекта

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям и классификации тепловых полей объектов с использованием инфракрасных средств измерений, и предназначено для использования при испытаниях инфракрасной видности техногенных и биологических объектов. Способ заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697402
Дата охранного документа: 14.08.2019
16.08.2019
№219.017.c05e

Способ воспроизведения, передачи и измерения термодинамической температуры

Изобретение относится к измерительной технике в области высоких температур и может быть использовано в эталонной метрологии для воспроизведения, передачи и измерения термодинамической температуры согласно новому международному определению единицы ее измерения. Заявленный способ включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697429
Дата охранного документа: 14.08.2019
02.10.2019
№219.017.d0ee

Способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта

Изобретение относится к измерительной технике в области пирометрических измерений, предназначено для градуировки пирометров излучения, измерения температуры реальных объектов и может быть использовано в метрологии, в промышленности, при выполнении научных исследований. Изобретение заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002700338
Дата охранного документа: 16.09.2019
13.12.2019
№219.017.ecd3

Способ измерения объемного электрического сопротивления

Изобретение относится к измерительной технике в области исследований электрических параметров изделий и предназначено для измерения объемного электрического сопротивления различных изделий, в том числе для изделий из высокоэлектропроводных материалов. Сущность способа измерения объемного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002708712
Дата охранного документа: 11.12.2019
22.12.2019
№219.017.f0df

Способ измерения температурной зависимости коэффициента теплопроводности электропроводящих материалов при высоких температурах

Изобретение относится к измерительной технике, в частности - к измерениям теплофизических свойств материалов, которые эксплуатируются в области высоких температур, где свойства имеют ярко выраженную зависимость от температуры. Сущность изобретения заключается в том, что для получения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709708
Дата охранного документа: 19.12.2019
14.03.2020
№220.018.0bc0

Способ измерения удельной теплоемкости материалов

Изобретение относится к измерительной технике теплофизических свойств веществ, предназначено для измерения удельной теплоемкости материалов и может быть использовано в метрологии, в промышленности, в научных исследованиях и для разработки новых материалов с заранее заданными свойствами. Заявлен...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716472
Дата охранного документа: 11.03.2020
14.03.2020
№220.018.0bd9

Способ создания меры удельной теплоемкости с заранее заданным значением

Изобретение относится к измерительной технике в области теплофизических измерений и предназначено для создания широкой номенклатуры мер удельной теплоемкости материалов, используемых в метрологии. Заявлен способ создания меры удельной теплоемкости, которую образуют в виде механической смеси из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716468
Дата охранного документа: 11.03.2020
+ добавить свой РИД