Установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности
Владельцы патента RU 2561797:
Закрытое акционерное общество Специализированное конструкторское бюро "Термоприбор" (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении температуры наружной поверхности трубопроводов. Заявлено установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности, включающее основание в виде прямоугольной металлической пластины в плане, изготовленной с плотно прилегающей нижней поверхностью к наружной поверхности трубопровода. Устройство включает также металлическую цилиндрическую втулку со сквозным отверстием и теплоизоляционную втулку со сквозным отверстием, одна из которых установлена на наружную поверхность металлической цилиндрической втулки до соприкосновения с ее верхней торцевой поверхностью и зафиксирована на ней. Отверстие в основании выполнено ступенчатым и с глухим дном, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси ступенчатого отверстия. При этом металлическая цилиндрическая втулка со сквозным отверстием установлена в отверстие большего диаметра ступенчатого отверстия и зафиксирована в нем и на нее установлена теплоизоляционная втулка. Отверстие меньшего диаметра ступенчатого отверстия в основании, сквозное отверстие металлической цилиндрической втулки и сквозное отверстие теплоизоляционной втулки образуют измерительный канал для установки датчика температуры поверхности. Технический результат - повышение достоверности данных о температуре поверхности трубы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении температуры наружной поверхности трубопроводов.
Известно установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности, которое состоит из охватывающего часть трубы цилиндрического кожуха, закрытого снаружи и установленного вплотную к трубе с теплоносителем. Цилиндрический кожух изнутри защищен слоем теплоизоляции. Внутри закрытого цилиндрического кожуха на трубу установлен тепловоспринимающий элемент с размещенным внутри чувствительным элементом датчика температуры, линии связи которого соединены с разъемом, установленным на крышке кожуха. При помощи уголков и винтов теплоприемник установлен в канале охватывающего часть трубы кожуха с теплоизоляцией внутри. Сам защитный кожух, охватывающий трубу с двух сторон, крепится к трубе с теплоносителем хомутами. См. описание к патенту RU №2282834, опубл. 27.08.2006 в Бюл. №10. Однако указанный теплоприемник имеет ряд недостатков. Теплоприемник является составной частью датчика температуры и при съеме датчика с объекта измерений для проведения регламентных работ (ремонта, калибровки или поверки) необходимо снимать с объекта измерений и сам теплоприемник. При этом, так как датчик температуры состоит из нескольких сборочных узлов, то его поузловая сборка при установке датчика с теплоприемником на трубу требует специальных навыков и, следовательно, специального обучения персонала. При этом теплоприемник не имеет узла, обеспечивающего необходимый тепловой контакт чувствительного элемента датчика температуры с поверхностью, температуру которой необходимо измерять, что негативно влияет на точность результатов измерения. Кроме того, в случае, если на трубу с теплоносителем нанесена теплоизоляция, что на практике встречается очень часто, то демонтаж датчика вместе с теплоприемником приводит к нарушению теплоизоляции трубы.
Известно установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности, которое состоит из охватывающего часть трубы цилиндрического кожуха, закрытого снаружи и установленного вплотную к трубе с теплоносителем. Цилиндрический кожух изнутри защищен слоем теплоизоляции. Внутри закрытого цилиндрического кожуха на трубу установлен тепловоспринимающий элемент с размещенным внутри чувствительным элементом датчика температуры, линии связи которого соединены с разъемом, установленным на крышке кожуха. При помощи уголков и винтов теплоприемник установлен в канале охватывающего часть трубы кожуха с теплоизоляцией внутри. Сам защитный кожух, охватывающий трубу с двух сторон, крепится к трубе с теплоносителем хомутами. Отличается от аналога тем, что тепловоспринимающий элемент с расположенным внутри чувствительным элементом датчика температуры находится внутри камеры дополнительного теплозащитного элемента, выполненного из теплопроводного материала и охватывающего трубу по всей наружной ее поверхности на всей длине участка измерения. См. описание к патенту RU №2444640, опубл. 27.06.2011 в Бюл. №8.
Однако, хотя данный теплоприемник по сравнению с предыдущим имеет более простую конструкцию и за счет создания термостатирующей камеры позволяет обеспечить большую точность измерений температуры, он имеет те же недостатки, что и описанный выше теплоприемник: невозможность демонтажа датчика температуры для проведения регламентных работ после установки датчика температуры на объекте измерений, сложность конструкции датчика температуры и сложность монтажа датчика температуры в теплоприемнике.
Известно принятое за прототип установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности, которое состоит из металлического основания, металлического цилиндра со сквозным отверстием внутри, приваренного к основанию; с наконечником в виде шестигранника для установки датчика температуры, при этом металлическое основание располагается на трубе с теплоносителем. Основание выполнено в виде металлической прямоугольной пластины в плане, согнутой по радиусу, соответствующему ½ наружного диаметра трубы, и, следовательно, соприкасающаяся часть основания соответствует наружному диаметру трубы с теплоносителем. Соприкасающаяся с трубой часть основания на наружной поверхности имеет две проточки с обеих сторон от установленного на основании металлического цилиндра для крепления теплоприемника к трубе двумя хомутами. При этом вертикальная ось сквозного отверстия металлического цилиндра теплоприемника перпендикулярна образующей наружного диаметра трубы и образующей, соприкасающейся с трубой части основания, расположенной вдоль трубы. См. www.elemer.ru Видеоролик «Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом», лист 2.
Данное установочное устройство легко монтируется на трубе с теплоносителем с помощью двух хомутов, обеспечивает возможность демонтажа установленного в нем датчика температуры для проведения регламентных работ без нарушения целостности датчика температуры и теплоизоляции, нанесенной на трубу. При наличии теплоизоляции, нанесенной на трубу с теплоносителем и на установочное устройство, демонтаж датчика температуры из установочного устройства не приводит к нарушению теплоизоляции трубы.
К недостаткам такого установочного устройства следует отнести невысокую точность измерения с помощью датчиков температуры, устанавливаемых в данное установочное устройство. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, установочное устройство после установки в него датчика температуры обеспечивает возможность теплового контакта защитного корпуса датчика температуры с трубой только через дно защитного корпуса и при этом не через всю поверхность дна, а только по линии касания дна защитного корпуса и поверхности трубы с теплоносителем. Учитывая наличие неровностей как на поверхности трубы с теплоносителем в месте расположения установочного устройства, так и неплоскостность дна защитного корпуса датчика температуры, можно говорить о том, что тепловой контакт между дном защитного корпуса датчика температуры и поверхностью трубы осуществляется только в отдельных точках. Вся остальная часть дна защитного корпуса датчика температуры «висит» в воздухе. Другими словами, можно считать, что датчик температуры измеряет не температуру поверхности трубы, а температуру окружающей данную трубу среды (воздуха). При этом необходимо отметить, что негерметичность конструкции установочного устройства не позволяет использовать для частичного устранения этой причины жидкие или пастообразные вещества для заполнения воздушных промежутков между дном защитного корпуса датчика температуры и поверхностью трубы с теплоносителем для улучшения теплового контакта между ними. Во-вторых, наличие в конструкции установочного устройства цилиндра, выполненного из металла, приводит к появлению эффекта отвода тепла по телу цилиндра из зоны расположения установочного устройства из-за наличия перепада температур между поверхностью трубы с теплоносителем и окружающей средой (воздухом). Так как тепло отводится из зоны расположения установочного устройства, а следовательно, и из зоны, в которой установлен датчик температуры, то температура поверхности трубы в этой зоне становится ниже, чем действительная температура поверхности трубы с теплоносителем.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения температуры поверхности трубы с теплоносителем с помощью установочного устройства с сохранением удобства применения и обслуживания датчика для измерения температуры поверхности.
Ожидаемый технический результат заключается:
- в получении достоверных данных о температуре поверхности трубы с теплоносителем при использовании совместно с предлагаемым установочным устройством известных датчиков температуры, производство которых освоено промышленностью и у которых конструкция и расположение чувствительного элемента в защитном корпусе датчика температуры позволяют производить подобные измерения,
- в обеспечении возможности монтажа или демонтажа установленного в установочном устройстве датчика температуры для проведения регламентных работ без нарушения целостности датчика температуры и теплоизоляции, нанесенной как на трубу с теплоносителем, так и на само установочное устройство,
- в обеспечении возможности монтажа установочного устройства на трубу с теплоносителем в едином технологическом цикле монтажных работ, проводимых на объектах (с нанесением теплоизоляционного покрытия на трубу и установочное устройство одновременно).
Это достигается тем, что установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности, включающее основание в виде прямоугольной металлической пластины в плане, изготовленной с плотно прилегающей нижней поверхностью к наружной поверхности трубопровода, с выполненным в центральной наружной части основания отверстием, вертикальная ось которого перпендикулярна образующей наружного диаметра трубопровода, имеющее две проточки для крепления его на трубопроводе с помощью хомутов, и соединенную неразъемным соединением с основанием металлическую цилиндрическую втулку со сквозным отверстием, вертикальная ось которой совпадает с осью отверстия в основании и наружный диаметр которой равен диаметру отверстия в основании, имеет теплоизоляционную втулку со сквозным отверстием, имеющем проточки с двух сторон, одна из которых установлена на наружную поверхность металлической цилиндрической втулки до соприкосновения с ее верхней торцевой поверхностью и зафиксирована на ней, а на свободном конце в проточке выполнена резьба для установки датчика температуры или заглушки, а отверстие в основании выполнено ступенчатым и с глухим дном, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси ступенчатого отверстия, при этом металлическая цилиндрическая втулка со сквозным отверстием установлена в отверстие большего диаметра ступенчатого отверстия и зафиксирована в нем и на нее установлена теплоизоляционная втулка, при этом отверстие меньшего диаметра ступенчатого отверстия в основании, сквозное отверстие металлической цилиндрической втулки и сквозное отверстие теплоизоляционной втулки образуют измерительный канал для установки датчика температуры поверхности. Основание и металлическая цилиндрическая втулка со сквозным отверстием внутри выполнены из высокотеплопроводного материала, например алюминиевого сплава.
На фиг. 1 показан общий вид установочного устройства, размещенного на месте измерения с установленным в нем датчиком температуры, изображенным в тонких линиях.
На фиг. 2 показан вид сверху на установленное основание (без датчика температуры, теплоизоляции трубы и теплоизоляционной втулки).
Установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности состоит из металлического основания 1, металлической цилиндрической втулки 2 и теплоизоляционной втулки 3.
Металлическое основание 1, являющееся одновременно тепловоспринимающим элементом установочного устройства, выполнено в виде прямоугольной пластины в плане, согнутой вдоль меньшей стороны пластины по радиусу, соответствующему ½ наружного диаметра трубы 4, с глухим ступенчатым отверстием 5 в геометрическом центре выпуклой поверхности основания 1. Дно 6 глухого ступенчатого отверстия 5 - плоское. Больший диаметр ступенчатого отверстия 5 равен наружному диаметру металлической цилиндрической втулки 2, меньший диаметр ступенчатого отверстия 5 равен внутреннему диаметру металлической цилиндрической втулки 2 и внутреннему диаметру теплоизоляционной втулки 3.
На выпуклой поверхности основания 1, вдоль меньшей его стороны, выполнены две проточки для обеспечения возможности закрепления основания 1 на трубе 4 с теплоносителем с помощью хомутов 7.
В отверстие большего диаметра ступенчатого отверстия 5, выполненное в металлическом основании 1, на всю глубину этого отверстия установлена металлическая цилиндрическая втулка 2 таким образом, что вертикальные оси ступенчатого отверстия 5 и металлической цилиндрической втулки 2 совпадают. Металлическая цилиндрическая втулка 2 соединена неразъемным способом, например сваркой, с металлическим основанием 1. Длина металлической цилиндрической втулки 2 меньше длины теплоизоляционной втулки 3.
Назначение металлической цилиндрической втулки 2 двоякое. Во-первых, она является посадочным узлом для теплоизоляционной втулки 3, обеспечивая тем самым механическую прочность всего установочного устройства. Во-вторых, она играет роль термостатирующего устройства для области защитного корпуса датчика температуры, в которой, собственно, расположен чувствительный элемент датчика температуры. Имея хороший тепловой контакт с основанием 1 (основание 1 и металлическая цилиндрическая втулка 2 соединены друг с другом сваркой), металлическая цилиндрическая втулка 2 имеет практически ту же температуру, что и основание 1.
Теплоизоляционная втулка 3 имеет сквозное отверстие и с двумя проточками 8. Снизу проточка 8 имеет диаметр, равный наружному диаметру металлической цилиндрической втулки 2, а длина ее равна высоте выступающей части металлической цилиндрической втулки 2 над поверхностью металлического основания 1. Теплоизоляционная втулка 3 установлена на наружную поверхность металлической цилиндрической втулки 2 до соприкосновения с ее верхней торцевой поверхностью и зафиксирована на ней с помощью клеевого или резьбового соединения, для чего на сопрягаемых поверхностях металлической цилиндрической втулки 2 и теплоизоляционной втулки 3 может быть выполнена резьба. С другого свободного конца теплоизоляционной втулки 3 вначале проточки 8 выполнена резьба 9 для установки датчика температуры 10 или заглушки.
Совмещенные по вертикальной оси глухое отверстие меньшего диаметра ступенчатого отверстия 5 в металлическом основании 1 и сквозные отверстия металлической цилиндрической втулки 2 и теплоизоляционной втулки 3 вместе образуют канал, в который вставляется датчик температуры 10. Длина теплоизоляционной втулки 3 вместе с основанием 1, как правило, равна высоте теплозащитного покрытия 11.
Требование соприкосновения кольцевой проточки теплоизоляционной втулки 3 с торцевой поверхностью металлической цилиндрической втулки 2, установленной в основание 1, обусловлено тем, что необходимо обеспечить условия отсутствия оттока тепла от торцевой поверхности цилиндрической втулки 2. При несоблюдении данного условия наличие воздушной полости между втулками 2 и 3 приводит к появлению конвективной составляющей теплообмена в канале, в который вставляется датчик температуры 10, и соответственно к погрешности измерения.
Установочное устройство для датчика измерения температуры изготавливается следующим образом (пример для трубы с теплоносителем с наружным диаметром D=135 мм).
Из металлического листа толщиной 10,0 мм вырезается пластина с габаритными размерами 140×80 мм, на которой на одной из поверхностей вдоль длинной стороны у обоих краев пластины выполняются два прямоугольных паза под ширину ленты хомута 7. Полученная пластина гнется по радиусу ½D. При этом меньший размер пластины является образующей нижней плоскости соприкосновения пластины с наружным диаметром трубопровода D=135 мм. Затем пластина устанавливается выпуклой частью вверх и в ее геометрическом центре высверливается глухое отверстие 5 диаметром Ф=10,5 мм и глубиной 4,0 мм таким образом, чтобы дно 6 глухого отверстия 5 находилось в плоскости, параллельной плоскости, в которой находятся пересекающиеся касательная к радиусу ½D и образующая, определяющая наружный диаметр трубы 4. Таким образом, изготовлено основание 1, которое одновременно является тепловоспринимающим элементом установочного устройства.
Затем из металлического прутка изготавливается цилиндрическая втулка 2 длиной 28,0 мм с внутренним отверстием диаметром Ф1=10,5 мм и наружным диаметром Ф2=20,0 мм. Изготовленная цилиндрическая втулка 2 устанавливается в основание 1, и глухое отверстие 5 основания 1 совмещается со сквозным внутренним отверстием цилиндрической втулки 2 при помощи, например, прутка диаметром Ф=10,5 мм. Пруток упирают в дно 6 глухого отверстия 5 и цилиндрическую втулку 2 прихватывают в трех местах сваркой к основанию 1. Затем, вынув пруток, проваривают цилиндрическую втулку 2 по линии ее контакта с основанием 1.
Теплоизоляционная втулка 3 длиной 100 мм со сквозным отверстием диаметром Ф3=10,5 мм и наружным диаметром Ф4=35,0 мм изготавливается из материала с низкой теплопроводностью. С одного торца теплоизоляционной втулки 3 выполняется внутренняя проточка длиной 24 мм для установки ее на металлическую цилиндрическую втулку 2 до соприкосновения с ее торцевой поверхностью, с другого торца выполняется резьба М20×1,5 9 для установки датчика температуры 10. Теплоизоляционная втулка 3 может устанавливаться на цилиндрическую втулку 2 при помощи клея или резьбового соединения, для чего на сопрягаемых поверхностях может выполняться соответствующая резьба. Теплоизоляционная втулка 3 установлена на металлическом цилиндре 2 до касания проточки 8 снизу с торцевой поверхностью цилиндрической втулки 2 без зазора.
После установки теплоизоляционной втулки 3 на металлическую цилиндрическую втулку 2 установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности готово. Его устанавливают на трубу 4 с теплоносителем с заглушенным выходным отверстием. При этом установочное устройство для улучшения теплового контакта с поверхностью трубы с теплоносителем может устанавливаться либо на теплопроводную пасту типа КПТ-8 с последующей механической фиксацией с помощью двух червячных хомутов 7 из нержавеющей стали, либо на теплопроводный эпоксидный клей. В первом случае, при необходимости, установочное устройство может быть снято с трубы и размещено в другом месте. Также, при необходимости, на установочное устройство после его размещения на трубе с теплоносителем может быть нанесено теплозащитное покрытие 11.
При проведении измерений вместо заглушки в резьбовое отверстие теплоизоляционной втулки 3 вворачивают, например, термопреобразователь ТСПУ 031С с подпружиненным установочным штуцером 12. Подпружиненный установочный штуцер 12 обеспечивает сохранение постоянного теплового контакта тепловоспринимающей торцевой поверхности защитного корпуса термопреобразователя ТСПУ 031С с плоским дном 6 глухого отверстия 5 в основании 1. Так как конструкция канала установочного устройства, в который устанавливается термопреобразователь ТСГГУ 031С, является герметичной, то для уменьшения термического сопротивления места контакта основания 1 и защитного корпуса термопреобразователя ТСПУ 031С глухое отверстие 5 может заполняться либо минеральным маслом, либо теплопроводной пастой типа КПТ-8.
При необходимости проведения регламентных работ (например, периодической поверки) термопреобразователь ТСПУ 031С просто выворачивается из резьбового отверстия 9 теплоизоляционной втулки 3, а на его место может быть установлен другой датчик температуры или заглушка.
Использование тепловоспринимающего элемента для датчиков измерения температуры поверхности является известным фактом. Его применение позволяет существенно повысить точность измерения вследствие увеличения площади контакта датчика температуры и поверхности, температуру которой измеряют. При этом, как правило, в качестве материала тепловоспринимающего элемента используют металлы с высокой теплопроводностью, например медь или алюминий.
Геометрические размеры тепловоспринимающего элемента (длина и ширина или радиус), как известно, определяются характерными размерами тела, вносящего возмущение в распределение температуры измеряемого объекта. Как правило, эти геометрические размеры не превышают четырех-пяти характерных размеров от места возмущения. В рассматриваемом случае характерным размером является диаметр защитного корпуса датчика температуры. На практике этот диаметр не превышает 10 мм, и, следовательно, размер тепловоспринимающего элемента должен быть 80-100 мм по меньшей стороне. Размер большей стороны при необходимости может быть увеличен для обеспечения возможности выполнения на основании проточек для крепления основания 1 на трубе 4 с теплоносителем с помощью хомутов 7.
Предлагаемое установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности по сравнению с прототипом позволяет уменьшить погрешность измерения температуры поверхности трубопровода за счет:
- минимального искажения температурного поля поверхности трубопровода вследствие применения металлического тепловоспринимающего основания с диаметром внутренней поверхности, соответствующим диаметру трубопровода, и теплоизоляционной втулки, уменьшающей отток тепла от трубы по элементам конструкции установочного устройства;
- обеспечения минимального термического сопротивления узла «тепловоспринимающая поверхность защитного корпуса термопреобразователя ТСПУ 031С - тепловоспринимающий элемент-дно» за счет обеспечения теплового контакта по всей тепловоспринимающей поверхности защитного корпуса термопреобразователя ТСПУ 031С в глухом отверстии основания (у прототипа контакт - только по линии).
1. Установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности, включающее основание в виде прямоугольной металлической пластины в плане, изготовленной с плотно прилегающей нижней поверхностью к наружной поверхности трубопровода, с выполненным в центральной наружной части основания отверстием, вертикальная ось которого перпендикулярна образующей наружного диаметра трубопровода, имеющее две проточки для крепления его на трубопроводе с помощью хомутов, и соединенную неразъемным соединением с основанием металлическую цилиндрическую втулку со сквозным отверстием, вертикальная ось которой совпадает с осью отверстия в основании и наружный диаметр которой равен диаметру отверстия в основании, отличающееся тем, что оно имеет теплоизоляционную втулку со сквозным отверстием, имеющем проточки с двух сторон, одна из которых установлена на наружную поверхность металлической цилиндрической втулки до соприкосновения с ее верхней торцевой поверхностью и зафиксирована на ней, а на свободном конце в проточке выполнена резьба для установки датчика температуры или заглушки, а отверстие в основании выполнено ступенчатым и с глухим дном, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси ступенчатого отверстия, при этом металлическая цилиндрическая втулка со сквозным отверстием установлена в отверстие большего диаметра ступенчатого отверстия и зафиксирована в нем и на нее установлена теплоизоляционная втулка, при этом отверстие меньшего диаметра ступенчатого отверстия в основании, сквозное отверстие металлической цилиндрической втулки и сквозное отверстие теплоизоляционной втулки образуют измерительный канал для установки датчика температуры поверхности.
2. Установочное устройство для датчика измерения температуры поверхности по п. 1, отличающееся тем, что основание и металлическая цилиндрическая втулка со сквозным отверстием внутри выполнены из высокотеплопроводного материала, например алюминиевого сплава.
