Устройство для измерения температуры в виде термоэлектрического преобразователя

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано при измерении температуры на оборудовании, применяемом в длительных технологических циклах. Изобретение направлено на повышение достоверности результатов поверки или калибровки, а также точности измерения температуры технологических процессов. Изобретение содержит защитный чехол, термометрическую вставку, выполненную из термопарного кабеля в металлической оболочке с минеральной изоляцией, причем термометрическая вставка оснащена узлом для ее крепления в преобразователе, и клеммную колодку для подключения термометрической вставки к коммутационным проводам. Согласно изобретению термометрическая вставка расположена в защитном чехле несоосно с ним, а узел крепления выполнен со сквозным отверстием, предназначенным для размещения рабочей части контрольного или эталонного средства измерения внутри защитного чехла. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящая группа изобретений относится к термометрии и может быть использована при измерении температуры на оборудовании, применяемом в длительных технологических циклах.

Известен способ определения термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) термоэлектрического преобразователя (ТП) при проведении периодической поверки методом сравнения, изложенный в ГОСТ 8.338-2002 (Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки. ИПК Издательство стандартов, 2003). Способ предусматривает регистрацию показаний эталонного средства измерения температуры, в качестве которого в диапазоне температур от 300°С до 1200°С рекомендуется использовать эталонный термоэлектрический преобразователь (ЭТП), и поверяемого ТП при нескольких заданных значениях температуры. По показаниям ЭТП определяется температура, затем величина ТЭДС, развиваемая поверяемым ТП, сравнивается со значениями ТЭДС, установленными для данной температуры номинальной статической характеристикой. На основании сравнения зарегистрированных показаний и нормированных номинальной характеристикой делается вывод о соответствии ТП установленным требованиям или определяется индивидуальная градуировочная характеристика преобразователя. Регистрация показаний производится при расположении рабочих спаев ТП и ЭТП в относительно равномерном температурном поле, с нормированной протяженностью и величиной градиента, причем эталонный и поверяемый ТП помещаются в печь на одинаковую фиксированную глубину, составляющую, как правило, 250 мм. При этом глубина погружения рабочего конца ТП в печь никак не связана с глубиной погружения в условиях бывшей или предстоящей эксплуатации. Профиль температурного поля вдоль эталонного и поверяемого ТП будет зависеть от характеристик конкретной печи и будет отличаться от профиля в условиях эксплуатации. В основе способа лежит предположение о том, что величина ТЭДС зависит только от разницы температур между горячим и холодным спаями и не зависит от изменений температуры по длине термоэлектродов и это верно, но только в том случае, если термоэлектроды поверяемого ТП однородны.

В процессе эксплуатации ТП в термоэлектродах неизбежно возникает термоэлектрическая неоднородность (ТЭН). ТЭН определяется как отклонение дифференциальной чувствительности (коэффициента Зеебека) на данном участке термоэлектрода от некоторого нормированного значения. Скорость развития ТЭН и ее величина зависят от ряда причин, связанных с воздействием внешней среды, высокой температуры и вызывающих изменения состава и структуры материала. Среди основных:

- изменение химического состава термоэлектродов при взаимодействии с изолирующими материалами и окружающей средой за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения элементов;

- рекристаллизация, рост зерна;

- превращения в твердом состоянии (упорядочение, распад твердого раствора);

- пластическая деформация и упругие напряжения;

- воздействие радиации и электромагнитных полей.

Применение способа определения ТЭДС, изложенного в ГОСТ 8.338-2002, при проведении периодической поверки, ранее эксплуатировавшихся, а значит приобретших ТЭН термоэлектрических преобразователей, может привести к ложным выводам, т.к. величина ТЭДС, развиваемой такими ТП, будет зависеть от глубины погружения и профиля температурного поля, в котором проводилось сличение, а не только от разницы температур между горячим и холодным спаями. Тем более, указанный способ нельзя применять при калибровке ТП, заключающейся в определении поправок к показаниям уже эксплуатировавшихся ТП, или при их градуировке, то есть определении индивидуальной зависимости развиваемой ТЭДС от температуры, поскольку эти результаты будут действительны только для того профиля температурного поля, в котором они были получены.

Наиболее близким к заявляемому является способ, изложенный в пункте 8.3.3 стр.156 руководства по использованию термопар MNL 12 /Manual on the use of thermocouples in temperature measurement. Fourth Edition. (sponsored by ASTM Committee E20 on Temperature Measurement. ASTM manual series: MNL 12. "Revision of special technical publication (STP) 470B". Includes bibliographical references and index. ISBN 0-8031-1466-4)/. В руководстве говорится, что ТП должен калиброваться при тех же условиях и на том же объекте, в которых он используется. Калибровка осуществляется методом сравнения показаний рабочего ТП с эталонным. В этом случае, как и при поверке или градуировке термопар в лабораторных условиях, главная задача обеспечить равенство температуры рабочего спая эталонного и поверяемого ТП. Для чего эталонный ТП устанавливают на термометрируемом объекте одним из трех методов. Первый метод: он может быть установлен в дополнительном отверстии, просверленном в объекте рядом с местом установки поверяемого или калибруемого ТП. Второй метод: часто в случае, когда ТП помещен в дополнительную защиту - термометрический карман в виде чехла из чугуна, шамотной глины, карбида кремния или другого огнеупора, который расположен стационарно на термометрируемом объекте, - эталонный ТП можно также разместить в нем. Третий метод гораздо менее удовлетворителен. Он заключается в том, что запись показания поверяемого ТП производится в момент, когда термометрируемый объект достигнет относительно постоянной температуры, затем ТП вынимается и на его место, на ту же глубину устанавливается эталонный. Так как в большинстве печей, используемых в промышленных процессах, происходят достаточно большие колебания температуры, то при использовании данного способа калибровки ТП нет уверенности, что эталонный ТП будет находиться при той же температуре что и поверяемый.

Известно устройство для измерения температур в виде термоэлектрического преобразователя, содержащее защитный чехол, термометрическую вставку, выполненную из термопарного кабеля в металлической оболочке с минеральной изоляцией, и клеммную колодку для подключения термометрической вставки к коммутационным проводам. Термометрическая вставка оснащена узлом для ее крепления в защитном чехле. Причем термометрическая вставка и защитный чехол установлены соосно /Ж-л «Мир измерений», №1, 2002 г. Каржавин А.В., Улановский А.А. «Термоэлектрическая термометрия. Основы, проблемы, развитие.» Стр.20; MNL-12 стр.123/.

Недостатком известных устройств является то, что их поверку и калибровку возможно производить на месте их эксплуатации только способами, описанными в MNL-12. Но это не всегда возможно по условиям безопасной эксплуатации и требует дополнительных затрат на организацию дополнительного отверстия или увеличение диаметра термометрического кармана, снижает точность сличения из-за относительной удаленности рабочих спаев эталонного и поверяемого ТП из-за их разделения, как минимум, чехлом поверяемого ТП.

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании способа и конструкции устройства для измерения температуры, лишенных указанных недостатков.

Для решения поставленной задачи предлагается способ определения термоэлектродвижущей силы при проведении поверки, калибровки или градуировки термоэлектрического преобразователя, бывшего в эксплуатации, включающий в себя регистрацию показаний поверяемого, калибруемого или градуируемого преобразователя и эталонного или контрольного средства измерения температуры в среде с профилем температур, идентичным профилю температур в среде, воздействовавшей на термоэлектрический преобразователь во время его эксплуатации. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что на время проведения сличений рабочую часть эталонного или контрольного средства измерения помещают во внутреннее пространство защитного чехла поверяемого, калибруемого или градуируемого термоэлектрического преобразователя на глубину, обеспечивающую одинаковый температурный профиль вдоль термометрической вставки термоэлектрического преобразователя и эталонного или контрольного средства измерения.

Дополнительно предлагается осуществлять способ непосредственно на термометрируемом объекте во время эксплуатации термоэлектрического преобразователя.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для измерения температуры в виде термоэлектрического преобразователя, содержащее защитный чехол, термометрическую вставку, выполненную из термопарного кабеля в металлической оболочке с минеральной изоляцией, причем термометрическая вставка оснащена узлом для ее крепления в преобразователе, и клеммную колодку для подключения термометрической вставки к коммутационным проводам. Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что термометрическая вставка расположена в защитном чехле несоосно с ним, а узел крепления выполнен со сквозным отверстием, предназначенным для размещения рабочей части контрольного или эталонного средства измерения внутри защитного чехла.

Дополнительно предлагается в устройстве клеммную колодку выполнить со сквозным отверстием, форма и размеры которого выбраны так, чтобы была возможность разместить в защитном чехле как термометрическую вставку, так и контрольное средство измерения.

Дополнительно предлагается сквозное отверстие соединить с направляющим элементом, расположенным внутри защитного чехла и предназначенным для размещения рабочей части контрольного или эталонного средства измерения. При этом направляющий элемент может быть выполнен в виде трубки.

Также дополнительно предлагается сквозное отверстие в узле крепления закрыть съемной пробкой.

Определение ТЭДС при проведении поверки, калибровки или градуировки ТП в среде с профилем температур, идентичным профилю температур в среде, воздействовавшей на ТП во время его эксплуатации, позволяет устранить влияние ТЭН на результат калибровки или поверки и, следовательно, получить достоверный результат поверки или калибровки термоэлектрического преобразователя, бывшего в эксплуатации. Получение достоверных данных позволяет избежать ложной выбраковки ТП и повысить точность измерения температуры технологических процессов.

Расположение термометрической вставки в защитном чехле несоосно с ним, с одновременным выполнением узла крепления со сквозным отверстием, позволяет установить в защитном чехле рядом с термометрической вставкой ТП контрольное или эталонное средство измерения, осуществить поверку, калибровку или градуировку, в том числе без демонтажа ТП с термометрируемого объекта, и тем самым, во-первых, увеличить достоверность поверки, калибровки или градуировки и, как следствие, безопасность и экономичность технологического процесса в целом; во-вторых, избежать возможных выбросов среды в момент установки эталонного ТП, что также повышает безопасность эксплуатации; в-третьих, сэкономить средства за счет экономии времени на демонтаж и монтаж рабочего средства измерения и отсутствия необходимости увеличивать размеры термометрического кармана.

Таким образом, достигается технический результат.

На прилагаемых чертежах представлены варианты исполнения заявляемого устройства, где 1 - защитный чехол, 2 - термометрическая вставка, 3 - узел крепления термометрической вставки в защитном чехле, 4 - клеммная колодка, 5 - коммутационные провода, 6 - сквозное отверстие в узле крепления, 7 - направляющий элемент, 8 - съемная пробка, 9 - клеммная головка, 10 - сквозное отверстие в клеммной колодке.

Способ осуществляют, а устройство работает следующим образом. Термоэлектрический преобразователь закрепляют на термометрируемом объекте и с его помощью осуществляют серию измерений. При этом сквозное отверстие 6 закрыто съемной пробкой 8, что препятствует поступлению кислорода из окружающей среды во внутреннее пространство защитного чехла 1. В процессе эксплуатации термоэлектрического преобразователя в его термоэлектродах возникает термоэлектрическая неоднородность, которая является результатом изменения состава сплава за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения отдельных элементов сплава, поглощения химических элементов извне при взаимодействии с изолирующими материалами и окружающей средой, рекристаллизации, роста зерна и др. В результате появления термоэлектрической неоднородности показания термоэлектрического преобразователя становятся зависимыми не только от разности температур между спаями, но и от расположения неоднородности в температурном поле и его профиля. Поэтому поверка, калибровка или градуировка термоэлектрического преобразователя в «лабораторном» поле температур, отличном от поля в условиях эксплуатации, могут дать значительную погрешность.

Для того чтобы осуществить калибровку термоэлектрического преобразователя в рабочих условиях, открывают клеммную головку 9, вынимают съемную пробку 8 из узла крепления 3 термометрической вставки 2 и вставляют в сквозное отверстие 6 рабочую часть контрольного средства измерений. Для того чтобы вставка не препятствовала вводу контрольного средства измерения, во внутреннее пространство защитного чехла 1 помещен направляющий элемент 7 в виде трубки, соединенной со сквозным отверстием 6. В клеммной колодке 4 также выполнено сквозное отверстие 10, размер которого должен быть выполнен таким, чтобы можно было разместить как термометрическую вставку 2, так и контрольное средство измерения. Показания рабочего и эталонного средства измерений определяют при различных температурных режимах работы термометрируемого объекта, затем по показаниям эталонного определяется истинная температура, после чего находится отклонение ТЭДС, развиваемой поверяемым, калибруемым или градуируемым ТП, от значений ТЭДС, установленных для данной температуры номинальной статической характеристикой. Таким образом осуществляют поверку, калибровку или градуировку рабочего ТП.

1. Устройство для измерения температуры в виде термоэлектрического преобразователя, содержащее защитный чехол, термометрическую вставку, выполненную из термопарного кабеля в металлической оболочке с минеральной изоляцией, причем термометрическая вставка оснащена узлом для ее крепления в преобразователе, клеммную колодку для подключения термометрической вставки к коммутационным проводам, отличающееся тем, что термометрическая вставка расположена в защитном чехле несоосно с ним, а узел крепления выполнен со сквозным отверстием, предназначенным для размещения рабочей части контрольного или эталонного средства измерения внутри защитного чехла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что клеммная колодка выполнена со сквозным отверстием, форма и размеры которого выбраны так, чтобы была возможность разместить в защитном чехле как термометрическую вставку, так и контрольное средство измерения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сквозное отверстие соединено направляющим элементом, расположенным внутри защитного чехла и предназначенным для размещения рабочей части контрольного или эталонного средства измерения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что направляющий элемент выполнен в виде трубки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сквозное отверстие в узле крепления закрыто съемной пробкой.