Высокотемпературная термопара

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения высоких температур в окислительной среде. Высокотемпературная термопара содержит защитные чехлы. Внутренний чехол выполнен из молибдена. В кольцевом зазоре между чехлами размещен диоксид циркония. Диоксид циркония образует при рабочих температурах каркас. Технический результат выражается в увеличении ресурса термопары. 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения высоких температур в окислительной среде.

Известны термопары для измерения высокой (более 1000^oС) температуры, содержащие термоэлектроды, межэлектродную изоляцию и защитный чехол из жаропрочного сплава (И.П. Куритнык, Г.С. Бурханов, Б.И. Стаднык. Материалы высокотемпературной термометрии. М. , Металлургия, 1986, стр.101, 102). Чаще всего для этих целей применяют сплавы жаропрочных металлов: молибдена, тантала, ниобия, вольфрама и др. , недостатком которых является быстрое разрушение при повышенной температуре (более 500-600^oС) в среде, содержащей кислород, вследствие интенсивного окисления (С.К. Данишевский, Н.И. Сведе-Швец. Высокотемпературные термопары. М., Металлургия, 1977, стр.195).

Ресурс термопар в этих условиях исчисляется минутами. В подавляющем большинстве случаев этого недостаточно для контроля температуры исследуемого объекта (в технологических измерениях, проводимых с целью непрерывного контроля процесса, разрушение средства измерения вообще недопустимо).

Для увеличения ресурса термопары в среде, содержащей кислород, при температуре выше 1000^oС применяют защитный чехол с покрытием, стойким к окислительной среде (Б. В. Лысиков, В.П. Прозоров. Термометрия и расходометрия ядерных реакторов. М., Энергоатомиздат, 1985, стр.66), или двойной защитный чехол.

Наилучшими защитными свойствами с точки зрения предохранения от быстрого окисления обладает дисилицид молибдена (С.К. Данишевский, Н.И. Сведе-Швец. Высокотемпературные термопары. М. , Металлургия, 1977, стр.195. А.И. Борисенко. Защита молибдена от высокотемпературной газовой коррозии. М-Л., "АН СССР", 1960, стр.45-47). Опыт автора заявки показывает, что нанесение дисилицида молибдена на поверхность молибденового чехла позволяет производить измерение температуры в парогазовой среде в течение нескольких часов при температуре до 9750^oС (В.Ш. Сулаберидзе. Средства контроля условий испытаний материалов и изделий атомной техники в исследовательских реакторах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2000, стр.95). В то же время, технология нанесения силицидного покрытия довольно сложная, энергоемкая и высокотемпературная, требующая специального электронагревательного оборудования (то же самое относится и к технологиям нанесения карбидных, нитридных, окисных покрытий). Стабильность и воспроизводимость технологии, от которых зависит качество покрытия, чрезвычайно трудно реализуются на протяженных изделиях. Поэтому рабочие участки термопар с дисилицидным покрытием, как правило, ограничены по длине.

Не требует разработки специальных технологических приемов применение в термопаре нескольких защитных чехлов. Эффект продления ресурса термопары достигается в данном случае наличием дополнительного барьера для проникновения кислорода и окисления внутреннего защитного чехла. Применение защитных чехлов позволяет произвести кратковременные измерения относительно высокой температуры в химически активной среде, например, содержащей кислород (Б.В. Лысиков, В.К. Прозоров, В.В. Васильев и др. Температурные измерения в ядерных реакторах. М., Атомиздат, 1975 г., стр. 905, рис.3.3,б). Однако ресурс термопары по-прежнему невысок.

С целью увеличения ресурса термопары с защитными чехлами при измерении высокой температуры в окислительной среде внутренний чехол термопары выполнен из молибдена, а в кольцевом зазоре между чехлами размещен диоксид циркония, образующий при рабочих температурах каркас, снижающий поступление кислорода и продуктов коррозии наружного чехла к поверхности внутреннего чехла, при этом диоксид циркония применен в виде уплотненного порошка с размером частиц, меньшим величины кольцевого зазора, а наружный чехол выполнен из тантала.

Положительный эффект достигается за счет того, что при повышенной температуре порошок спекается или даже частично подплавляется и образует каркас вокруг внутреннего чехла из молибдена, затрудняющий взаимодействие последнего с продуктами коррозии наружного чехла и с кислородом, а также сохраняющий какое-то время целостность внутреннего чехла в процессе его окисления.

Новые существенные признаки данного изобретения для термопар в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

Положительный эффект наличия оксида циркония в кольцевом зазоре между защитными чехлами был проверен и подтвержден в испытаниях специально изготовленных образцов.

При высокотемпературных испытаниях в вакууме было показано, что на образцах с молибденовым чехлом при температуре 2000-2900^oС сплошной слой спекшегося окисла образует оксид циркония. В дальнейшем этот оксид был применен при испытаниях образцов на воздухе. Для сравнительных испытаний были изготовлены 4 образца высокотемпературных термопар (длина всех образцов равна 200 мм) с электродами из сплавов вольфрам-рений. Образцы предварительно подвергли отжигу в среде аргона при температуре 9200^oС с целью формирования компактного окисного слоя в образце 4 (для представительности последующих сравнительных испытаний все образцы должны были быть подвергнуты одинаковому термическому воздействию). После этого образцы одновременно поместили в печь, разогретую до 90^oС. Через 75 мин выдержки их извлекли из печи. Состояние образцов после этих испытаний описано в таблице.

Таким образом, из результатов испытаний следует, что помещенный в кольцевой зазор между защитными чехлами оксид циркония существенно увеличил стойкость и, следовательно, ресурс термопары в окислительной газовой среде, т.е. обеспечил достижение цели изобретения.

Формула изобретения

1. Высокотемпературная термопара, характеризующаяся тем, что содержит защитные чехлы, при этом внутренний чехол выполнен из молибдена, а в кольцевом зазоре между чехлами размещен диоксид циркония, образующий при рабочих температурах каркас, снижающий поступление кислорода и продуктов коррозии наружного чехла к поверхности внутреннего чехла.

2. Высокотемпературная термопара по п.1, характеризующаяся тем, что диоксид циркония применен в виде уплотненного порошка с размером частиц, меньшим величины кольцевого зазора.

3. Высокотемпературная термопара по п. 1, характеризующаяся тем, что наружный чехол выполнен из тантала.

РИСУНКИ

Рисунок 1