Датчик измерения температурного поля



Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля
Датчик измерения температурного поля

 


Владельцы патента RU 2633652:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна" (RU)

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при тепловых испытаниях печей, применяемых для высокотемпературных обработок материалов, например карбонизации и графитации, для определения температурных полей внутри печи. Предложен датчик измерения температурного поля в точках пространства расположения элементов датчика разового использования для высокотемпературных печей со средой, химически инертной по отношению к датчику измерения температурного поля, состоящий из элементов, фиксирующих температуру в области пространства, где они расположены, меняющий свое состояние в процессе нагрева температуры температурного поля с температурой от 600°C. При этом датчик измерения температурного поля выполнен в виде гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола, состоящей из элементов, образующих единое целое в составе нити, меняющий свое физико-химическое состояние под действием температурного поля, фиксирующий максимальную температуру температурного поля от 600°C до 2300°C в области пространства определения температурного поля в точках с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм. Технический результат - повышение температурной границы определения температурного поля до 2300°C за счет использования гибкой электропроводящей нити на основе углерода, полученной из полиоксадиазола, при одновременном повышении точности измерения температурного поля в малых объемах и труднодоступных местах за счет гибкости нити на основе полиоксадиазола и возможности определения температурного поля в точках пространства с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм, а также с точностью по температуре до 0,311⋅10-7°C. 11 ил., 6 табл.

 

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при тепловых испытаниях печей, применяемых для высокотемпературных обработок материалов, например, карбонизации и графитации, для определения температурных полей внутри печи.

Из уровня техники известен датчик температуры - контактный термоприемник, описанный в способе определения температуры в различных точках печи [Патент РФ 2330250 C1, G01K 7/02, G01K 1/08. Способ измерения температуры, 25.12.2006]. Недостатком этого датчика является то, что датчик статично закреплен в пространстве печи, следовательно, для получения значений температуры в различных точках рабочего пространства печи необходимо перемещать датчик в заданной системе координат или помещать много датчиков.

Из уровня техники известен датчик температуры - термопара, описанный в способе определения температуры термопарами [Патент РФ 2475712 C1, G01K 7/02, G01K 7/16. Способ измерения температуры термопарами, 20.02.2013].

Недостатком этого датчика является то, что датчик не фиксирует максимальную температуру температурного поля и поэтому для определения максимальной температуры в заданных областях печи во время измерения температурного поля необходимо постоянно следить за термо-ЭДС на термопарах, постоянно фиксируя все значения и определяя максимальное значение, соответствующее максимальной температуре в заданной области пространства. Также недостатком датчика является то, что для определения температурного поля в объеме печи возникает необходимость размещения большого количества разрозненных (не объединенных в единое целое) термопар внутри печи и, в результате этого, необходимо большое число выводов концов датчика из печи, которые должны быть электрически изолированы от корпуса печи, что усложняет работу с такими датчиками, усложняет или делает невозможной техническую реализацию определения температурного поля печи.

Из уровня техники известен датчик температурного поля - измерительный тепловизор, описанный в способе дистанционного измерения температурного поля [Патент РФ 2424496 С2, G01J 5/08, G01J 5/50, G01N 21/00, H04N 5/33. Способ дистанционного измерения температурного поля, 07.09. 2009].

Недостатком этого датчика является то, что датчик не фиксирует максимальную температуру температурного поля и поэтому для определения максимальной температуры в заданных областях печи во время измерения температурного поля необходимо постоянно формировать цифровые ИК изображения с реперной площадки, фиксируя все пиксели ИК изображения и определяя максимальное значение температуры в заданной области пространства, используя зависимость пикселя цифрового ИК изображения от температуры абсолютно черного тела. Также недостатком датчика является то, что для определения температурного поля в объеме печи возникает необходимость размещения большого количества разрозненных (не объединенных в единое целое) площадок для измерения температуры внутри печи и, в результате того, что используется тепловизор, необходимо размещать реперные точки только в прямой видимости тепловизора, что усложняет работу с такими датчиками, усложняет или делает невозможной техническую реализацию определения температурного поля печи, особенно в труднодоступных местах.

Наиболее близким к заявленному датчику является датчик измерения температурного поля разового использования для высокотемпературных печей со средой, химически инертной по отношению к датчику, представляющий собой набор элементов, каждый из которых состоит из комплекта не менее, чем из трех керамических пироскопов - конусов Зегера, с тремя последовательными номерами, которые соответствуют последовательным температурам плавления; датчик помещают в температурное поле рабочего объема печи и фиксируют максимальную температуру в точках объема, где они расположены, в результате изменения физического состояния пироскопов под действием температуры. [Луке Г. Экспериментальные методы в неорганической химии. М.: Мир, 1965 - С. 109].

Для измерения температурного поля с помощью керамических пироскопов, которые изготавливаются высотой не менее 31,5 мм, комплект из 3*N пироскопов, где N - число точек пространства в областях объема печи, где надо определить температурное поле, размещают строго вертикально на шамотовых пластинах, затем помещают в рабочий объем печи в химически инертную среду (по отношению к керамическим пироскопам химически инертной средой является воздух), в рабочем объеме печи создают температурное поле, которое хотят измерить, в интервале температур от 600 до 2000°C. Температурой печи в конкретной точке пространства рабочего объема печи считают температуру плавления того конуса, вершина которого согнется и коснется шамотовой пластины, остальные пироскопы являются контрольными, к моменту, когда пироскоп со средним номером коснется пластины, пироскоп с низшим номером должен совсем расплавится, а с высшим - только наклонится. Датчик является датчиком разового действия, так как происходит необратимое изменение его физического состояния: пироскопы изгибаются или расплавляются. Таким образом, определяют максимальную температуру температурного поля в пространстве с координатами расположения объемов элементов датчика, каждый элемент из которых состоит из 3-х пироскопов, подобранных по температуре для данной области пространства.

Данный датчик обладает рядом преимуществ относительно аналогов, а именно: возможность размещения элементов датчика в различных точках рабочего объема печии, тем самым измерение температурного поля рабочего объема печи, а также фиксирование элементами датчика максимальной температуры в области пространства их расположения.

В свою очередь, датчик обладает и рядом недостатков, во-первых, керамические пироскопы не подходят для измерения температуры свыше 2000°C, во-вторых, область пространства определения температурного поля не может быть менее объема элемента датчика из трех пироскопов, что делает невозможным измерение температурного поля в малых объемах или труднодоступных местах, в-третьих, точность определения температуры керамическими пироскопами составляет ±20°C, в-четвертых, для определения температурного поля в требуемых точках температурного поля в количестве N требуется N элементов датчика, состоящих из большого числа пироскопов равного 3*N пироскопов. При этом пироскопы и соответственно датчики ими образованные, не объединены в единое целое и требуют дополнительных технических устройств для их позиционирования в требуемых точках пространства температурного поля. В-пятых, необходимо заранее знать примерный диапазон температур в конкретной области пространства, чтобы разместить в этой области пространства пироскопы с определенными, последовательными номерами.

Техническим результатом заявленного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение температурной границы определения температурного поля до 2300°C за счет использования гибкой электропроводящей нити на основе углерода, полученной из полиоксадиазола, при одновременном повышении точности измерения температурного поля в малых объемах и труднодоступных местах за счет гибкости нити на основе полиоксадиазола и возможности определения температурного поля в точках пространства с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм, а также с точностью по температуре до 0,311*10-7°C.

Указанный технический результат достигается тем, что датчик измерения температурного поля в точках пространства расположения элементов датчика, разового использования для высокотемпературных печей со средой, химически инертной по отношению к датчику измерения температурного поля, состоящий из элементов, фиксирующих температуру в области пространства, где они расположены, меняющий свое состояние в процессе нагрева температуры температурного поля с температурой от 600°C, выполнен в виде гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола, состоящей из элементов, образующих единое целое в составе нити, меняющий свое физико-химическое состояние под действием температурного поля, фиксирующий максимальную температуру температурного поля от 600°C до 2300°C в области пространства определения температурного поля в точках с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм.

Существенными отличиями заявляемого датчик измерения температурного поля выполнен в виде гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола, состоящей из элементов, образующих единое целое в составе нити, меняющий свое физико-химическое состояние под действием температурного поля, при этом каждый из элементов определяет любую температуру в указанном температурном интервале и фиксирует максимальную температуру температурного поля от 600°C до 2300°C в области пространства определения температурного поля в точках с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм.

В результате воздействия температурного поля на датчик измерения температурного поля в виде нити на основе углерода из полиоксадиазола, расположенного в химически инертной среде (азот, вакуум) по отношению к элементам датчика, происходит образование углеродных электропроводящих кристаллитов, которые являются элементами датчика измерения температурного поля, образуют единое целое в составе нити, фиксируют максимальную температуру в указанной области температурного поля, в результате изменения своего физико-химического состояния, а именно его электрического сопротивления, что позволяет после снятия температурного поля определять, какая была максимальная температура температурного поля в диапазоне от 600 до 2300°C в области пространства определения температурного поля в точках с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм и с точностью по температуре до 0,311*10-7°C, повышение точности измерения температурного поля в малых объемах (малый объем определяется объемом, занимаемым датчиком диаметром 1 мкм и расстоянием между измерительными электродами от 0,4 мкм). Заявленной совокупности признаков с получением указанных выше результатов в известном уровне техники не обнаружено, поэтому созданный датчик обладает существенными отличиями.

Ниже представлено описание фигур, поясняющее сущность изобретения.

На фиг. 1 представлена градуировочная кривая зависимости электрического сопротивления гибкой комплексной электропроводящей нити, состоящей из 1000 филаментов, на основе углерода изполиоксадиазолаот конечной температуры термообработки (КТТО). Точка Т1 соответствует температуре плавления А1 равной 660,323°C, Т2 - Ag=961,78°C, Т3-Au=1064,18°C, Т4-Cu=1084,62°C, Т5-Ni=1455°C, Т6-Pt=1768,2°C, Т7-Al2O3=2053°C. Остальные точки, представленные на рисунке и обозначенные от M1 до М22, получены в результате измерений термопарой и пирометром.

На фиг. 2 представлен датчик измерения температурного поля (фиг. 2 поз. 1), расположенный в высокотемпературной печи (фиг. 2 поз. 2) и закрепленный в точках фиксации (фиг. 2 поз. 3), расположенных на верхней крышке печи. P1, Р2 и т.д. до Р21 - номер ряда. РА, РВ и т.д. до PU - номер волокна в ряде. Поз. 4 - точка начала координат. Обозначение x является обозначением оси координат x. Обозначение y является обозначением оси координат y. Обозначение z является обозначением оси координат z.

На фиг. 3 представлен участок датчика измерения температурного поля (фиг. 3 поз. 1), к которому подведены измерительные электроды (фиг. 3 поз. 5), подключенные к омметру (фиг. 3 поз. 6). Расстояние между измерительными электродами равно 10 мм. ТИ0, ТИ1 и т.д. до ТИ20 - точки измерения электрического сопротивления вдоль длины датчика, расположенные посередине между измерительными электродами, таким образом, что расстояние между измерительным электродом и точкой измерения равно 5 мм. Шаг между точками измерения равен 10 см. Обозначение x является обозначением оси координат x.

На фиг. 4 представлен датчик измерения температурного поля (фиг. 4 поз. 1), расположенный в высокотемпературной печи (фиг. 4 поз. 7), при этом часть датчика закреплена в зажимах (фиг. 4 поз. 9) в трубе отвода пиролизных газов (фиг. 4 поз. 8). Поз. 4 - точка начала датчика.

На фиг. 5 представлен участок датчика измерения температурного поля (фиг. 5 поз. 1), к которому подведены измерительные электроды (фиг. 5 поз. 5), подключенные к омметру (фиг. 5 поз. 6). Расстояние между измерительными электродами равно 10 мм. ТИ0, ТИ1 и т.д. до ТИ35 - точки измерения электрического сопротивления вдоль длины датчика, расположенные посередине между измерительными электродами, таким образом, что расстояние между измерительным электродом и точкой измерения равно 5 мм. Шаг между точками измерения равен 10 см. Обозначение x является обозначением оси координат x.

На фиг. 6 представлен датчик измерения температурного поля (фиг. 6 поз. 1) в печи карбонизации (фиг. 6 поз. 10), датчик закреплен при помощи зажимов (фиг. 6 поз. 11, 12). Поз. 4 - точка начала координат.

На фиг. 7 представлено сечение А-А фигуры 6, на котором датчик измерения температурного поля (фиг. 7 поз. 1) расположен в печи карбонизации (фиг. 7 поз. 10), датчик закреплен при помощи зажимов (фиг. 7 поз. 11, 12). Поз. 4 - точка начала координат. P1, Р2 и т.д. до Р19 - номер ряда. Поз. 13 - рабочий объем печи. Обозначение x является обозначением оси координат х. Обозначение у является обозначением оси координат y.

На фиг. 8 представлен участок датчика измерения температурного поля (фиг. 8 поз. 1), к которому подведены измерительные электроды (фиг. 8 поз. 5), подключенные к омметру (фиг. 8 поз. 6). Расстояние между измерительными электродами равно 5 мм. ТИ0, ТИ1 и т.д. до ТИ70 - точки измерения электрического сопротивления вдоль длины датчика, расположенные посередине между измерительными электродами, таким образом, что расстояние между измерительным электродом и точкой измерения равно 2,5 мм. Шаг между точками измерения равен 5 см. Обозначение x является обозначением оси координат x.

На фиг. 9 представлен датчик измерения температурного поля (фиг. 9 поз. 1), расположенный в микропечи карбонизации (фиг. 9 поз. 14) параллельно и вертикально над графитовым нагревателем (фиг. 9 поз. 15), расположенным на держателях для нагревателя (фиг. 9 поз. 16), датчик измерения температурного поля расположен на держателях для датчика (фиг. 9 поз. 17). Поз. 4 - точка начала координат. Обозначение x является обозначением оси координат x.

На фиг. 10 представлен датчик измерения температурного поля (фиг. 10 поз. 1), к которому подведены измерительные электроды (фиг. 10 поз. 5), расположенные на сапфировой пластине (фиг. 10 поз. 18) и подключенные к омметру (фиг. 10 поз.6).

На фиг. 11 представлен вынос Б из основного изображения, представленного на фигуре 10, на котором представлен участок датчика измерения температурного поля (фиг. 11 поз. 1), к которому подведены измерительные электроды (фиг. 11 поз. 5), расположенные на сапфировой пластине (фиг. 11 поз. 18). ТИ1, ТИ2 и т.д. до ТИ5 - точки измерения электрического сопротивления вдоль длины датчика, расположенные посередине между измерительными электродами, таким образом, что расстояние между измерительным электродом и точкой измерения равно 0,1 мкм. Расстояние между измерительными электродами 0,2 мкм. Шаг между точками измерения равен 0,4 мкм.

Датчик измерения температурного поля (фиг. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 поз. 1) разового использования представляет собой гибкую электропроводящую нить на основе углерода из полиоксадиазола с длиной нити не менее 0,3 мкм, которую размещают в рабочем объеме исследуемой высокотемпературной печи (фиг. 2 поз. 2, фиг. 4 поз. 7, фиг. 6 поз. 10, фиг. 7 поз. 10, фиг. 9 поз. 14). После этого в печи создают химически инертную среду, нагревают печь в интервале от 20°C до конечной заданной температуры, не превышающей 2300°C (так как при температуре выше 2300°C происходит разрушение нитей в местах изгибов, а также датчик теряет чувствительность по температуре). Далее дают печи остынуть до температуры 20°C. затем производят выемку датчика из печи, при этом разрезая его для удобства выемки и последующей работы на части, маркируя последовательно каждую часть датчика. После этого проводят измерение распределения электрического сопротивления по длине нити (фиг. 3, 5, 8, 10, 11) в выбранных точках, соответствующих точкам с координатами точек определения температурного поля в области пространства рабочего объема печи, с выбранным шагом между точками измерения, с минимальным значением шага от 0,4 мкм, что технически возможно благодаря применению современных методов микроэлектроники создания электрических контактов шириной от 0,2 мкм и зазором между этими контактами от 0,2 мкм, измеряют омическое сопротивление элементов нити используя омметр модели GOM-802 фирмы GW INSTEK, который дает погрешность измерения 0,0001 мОм. Минимальное значение шага определяется той точностью по координате в пространстве температурного поля, с которой проводят измерение, и зависит от конкретного положения точек измерения в пространстве, минимального объема пространства, с которого снимается информация о температуре температурного поля и от точности определения температуры, с которой нужно измерять температурное поле. Так, если измерения происходят с использованием датчика длиной десятки метров, то шаг между точками измерения выбирают 5-10 см, т.к. этот шаг является достаточным с технологической точки зрения, если определяют температурное поле в рабочем объеме микропечи, то необходимо использовать шаг в 0,4 мкм.

После этого определяют значения температур в выбранных точках по длине датчика путем сравнения полученных результатов электрического сопротивления датчика с предварительно построенной градуировочной кривой (фиг. 1) зависимости электрического сопротивления датчика от температуры и на основе определенных ранее значений температур в выбранных точках и координат этих точек в области пространства рабочего объема печи определяют температурное поле в области пространства рабочего объема печи с точностью по температуре до 0,311*10-7°C.

Построение градуировочной кривой выполняют следующим образом: измеряют значение температуры температурного поля в области пространства, где расположены эталоны температуры по температурам их плавления с использованием МПТШ-90 (международной практической температурной шкалы) [Сайфуллин Р.С, Сайфуллин А.Р. Универсальный лексикон: химия, физика и технология (на русском и английском языках). - М.: Логос, 2002. - с. 124]; последовательно измеряют электрическое сопротивление датчика в точках определения температур плавления эталонов и в промежуточных точках, с использованием термопары марки ТВР 5/20 (вольфрамрений-вольфрамрениевая) (до температуры 1800°C) и пирометра TimeTI-315E (от температуры 1800°C до температуры 2300°C); на основании полученных данных строят зависимость электрического сопротивления датчика от температуры.

В качестве эталонов были использованы следующие материалы: Al=660,323°C (Т1 на фиг. 1), Ag=961,78°C (Т2 на фиг. 1), Au=1064,18°C (Т3 на фиг. 1), Cu=1084,62°C (Т4 на фиг. 1), Ni=1455°C (Т5 на фиг. 1), Pt=1768,2°C (Т6 на фиг. 1), Al2O3=2053°C (Т7 на фиг. 1).

Исходя из градуировочной кривой (фиг. 1) для комплексной электропроводящей нити, состоящей из 1000 филаментов на основе углерода из полиоксадиазола, точность измерения температуры температурного поля датчиком составляет:

где, ТМ1 и ТМ2 - температура в точках M1 и М2 соответственно;

RM1 и RM2 - сопротивление в точках M1 и М2 соответственно.

Затем, исходя из измеренного электрического сопротивления датчика, расположенного в точках пространства рабочего объема печи, делают заключение о распределении температурного поля в области пространства расположения элементов датчика и дают рекомендации для получения температурного поля с требуемыми характеристиками в пространстве печи.

Пример 1. В рабочий объем температурного поля исследуемой высокотемпературной печи (фиг. 2 поз. 2) с объемом 10,6 м3 помещают датчик (фиг. 2 поз. 1) измерения температурного поля в виде непрерывной гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола, например, комплексную нить, состоящую из 1000 филаментов, с диметром каждого филамента 9 мкм, длиной до 3000 м таким образом, чтобы она равномерно распределялась внутри печи, и закрепляют в точках фиксации (фиг. 2 поз. 3). Нить, т.к. она обладает гибкостью, располагают таким образом, что она (т.е. элементы нити) лежит в трех координатах, что показано на фиг 2. Затем в печь подают химически инертный газ - азот, нагревают печь от 20°C до 2300°C. После этого дают печи остыть до 20°C, производят выемку датчика измерения температурного поля при этом разрезая его для удобства выемки и последующей работы на части по 2 м, маркируя последовательно каждую часть датчика (P1, Р2 и т.д. до Р21 - по оси y; РА, РВ и т.д. до PU - по оси x). Затем проводят измерение электрического сопротивления на единицу длины в выбранных точках измерения (фиг. 3 - ТИ0, ТИ1 и т.д. до ТИ20), соответствующих точкам с координатами точек определения температурного поля в области пространства рабочего объема печи, по длине нити от начала координат (фиг. 2 поз. 4) с шагом между точками измерения 10 см, достаточным для измерения температурного поля, с расстоянием между измерительными электродами (фиг. 3 поз. 5) 10 мм, к которым подключается омметр в местах, представленных на фиг. 3 поз. 6. После этого определяют значения температур в выбранных точках по длине датчика путем сравнения полученных результатов электрического сопротивления датчика с предварительно построенной градуировочной кривой (фиг. 1) зависимости электрического сопротивления датчика от температуры и на основе определенных ранее значений температур в выбранных точках и координат этих точек в области пространства рабочего объема печи определяют температурное поле в области пространства рабочего объема печи.

В таблице 1 представлены результаты измеренного электрического сопротивления на единицу длины участка датчика, расположенного в ряде Р1РА в зависимости от координаты по длине участка датчика и измеренной температуры поля в точках пространства с координатами вдоль оси z расположения участка датчика, расположенного в ряде Р1РА, при этом в табл. 1 строка С2 является продолжением строки С1, строка С3 является продолжением строки С2.

Анализ таблицы 1 показывает, что в интервале координат от 0 до 20 см наблюдается увеличение температур от 2275 до 2287°C, в интервале координат от 170 до 200 см наблюдается снижение температур от 2288 до 2277°C соответственно, в интервале координат от 30 до 160 см наблюдается равномерное распределение температуры.

В таблице 2 представлены результаты измеренного электрического сопротивления участка датчика, расположенного в ряде Р10РК в зависимости от координаты по длине участка датчика и измеренной температуры в точках пространства с координатами вдоль оси z расположения участка датчика, расположенного в ряде Р10РК, при этом в табл. 2 строка С5 является продолжением строки С4, строка С6 является продолжением строки С5. Аналогично можно получить результаты измеренной температуры в точках пространства с координатами вдоль оси z для других участков датчика.

Анализ таблицы 2 показывает, что в интервале координат от 0 до 10 см наблюдается увеличение температур от 2285 до 2293°C, в интервале координат от 190 до 200 см наблюдается снижение температур от 2291 до 2287°C соответственно, в интервале координат от 30 до 160 см наблюдается равномерное распределение температуры.

Пример 2. В рабочий объем температурного поля печи высокотемпературной обработки (фиг. 4 поз. 7) помещают в зажимы (фиг. 4 поз. 9) датчик (фиг. 4 поз. 1) температурного поля в виде непрерывной гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола, например, комплексную нить, состоящую из 1000 филаментов и диметром филамента 9 мкм, при этом часть датчика находится в трубе для отвода пиролизных газов (фиг. 4 поз. 8). Затем в печь подают инертный газ - азот, нагревают печь от 20°C до 1000°C. После этого дают печи остыть до 20°C, производят выемку датчика измерения температурного поля. Затем проводят измерение электрического сопротивления на единицу длины в выбранных точках измерения (фиг. 5 - ТИ0, ТИ1 и т.д. до ТИ35), соответствующих точкам с координатами точек определения температурного поля в области пространства рабочего объема печи, по длине нити от начала координат (фиг. 4 поз. 4) с шагом между точками измерения 10 см, достаточным для измерения температурного поля, с расстоянием между измерительными электродами (фиг. 5 поз. 5) 10 мм, к которым подключается омметр в местах, представленных на фиг. 5 поз. 6. После этого определяют значения температур в выбранных точках по длине датчика путем сравнения полученных результатов электрического сопротивления датчика с предварительно построенной градуировочной кривой (фиг. 1) зависимости электрического сопротивления датчика от температуры и на основе определенных ранее значений температур в выбранных точках и координат этих точек в области пространства рабочего объема печи определяют температурное поле в области пространства рабочего объема печи.

В таблице 3 представлены результаты измеренного электрического сопротивления на единицу длины в точках пространства объема печи с координатами вдоль расположения датчика и измеренной температуры поля в точках пространства с координатами вдоль расположения датчика, при этом в табл.3 строка С8 является продолжением строки С7, С9 является продолжением строки С8 и т.д. до С10. Аналогично можно получить результаты измеренной температуры во всех точках пространства вдоль расположения датчика.

Анализ таблицы 3 показывает, что в интервале координат от 0 до 180 см наблюдается увеличение температур от 680 до 999°C, в интервале координат от 330 до 350 см наблюдается снижение температур от 999 до 981°C соответственно, в интервале координат от 190 до 320 см наблюдается равномерное распределение температуры.

Пример 3. В рабочий объем температурного поля печи карбонизации длинной 3,5 м и шириной 1 м (фиг. 6 поз. 10) в зажимы (фиг. 6 поз. 11, 12) помещают датчик температурного поля (фиг. 6 поз. 1), как показано на фиг. 7, в виде непрерывной гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола, например, комплексной нити, состоящей из 1000 филаментов с диметром филамента 9 мкм, длиной, больше внутреннего размера камеры печи. Печь карбонизации устроена таким образом, что, чтобы материал или датчик температурного поля попал внутрь печи, он должен пройти через специальный затвор с высотой 10 мм, что делает невозможным использование прототипа (высота не менее 31,5 мм) в качестве датчика измерения температурного поля данной печи в силу труднодоступности. Датчик располагают таким образом, что он образует ряды (P1, Р2 и т.д. до Р19) с расстоянием между ними 5 см. Левая сторона рядов жестко закреплена в зажиме (фиг. 6 поз. 12), правая сторона закреплена в зажиме (фиг. 6 поз. 11), позволяющем датчику находиться в не жестко фиксированном состоянии. Затем в печь подают химически инертный газ - азот, нагревают печь от 20°C до 650°C. После этого дают печи остыть до 20°C. Затем для удобства выемки датчика измерения температурного поля, его разрезаютна участки следующим образом: по линии с координатой начала 0 (фиг. 6, 7 поз. 4) с левой стороны отрезают участки датчика, выступающие по краю печи, с правой стороны разрезают по изгибам датчика, таким образом, получаются отдельные ряды отрезков датчика. После достают каждый ряд, потянув за его правую сторону, ряды маркируют (фиг. 7 - P1, Р2 и т.д. до Р19) и располагают на измерительном столе. Затем проводят измерение электрического сопротивления на единицу длины в точках измерения (фиг. 8 - ТИ0, ТИ1 и т.д. до ТИ70) по длине нити от начала координат (фиг. 6, 7 поз. 4) с шагом между точками измерения 5 см, достаточным для измерения температурного поля, с расстоянием между измерительными электродами (фиг. 8 поз. 5) 5 мм, к которым подключается омметр в точках, представленных на фиг. 8 поз. 6. После этого определяют значения температур в выбранных точках по длине датчика путем сравнения полученных результатов электрического сопротивления датчика с предварительно построенной градуировочной кривой (фиг. 1) зависимости электрического сопротивления датчика от температуры и на основе определенных ранее значений температур в выбранных точках и координат этих точек в области пространства рабочего объема печи определяют температурное поле в области пространства рабочего объема печи.

В таблице 4 представлены результаты измеренного электрического сопротивления на единицу длины участка датчика, расположенного в ряде Р1 в зависимости от координаты по длине участка датчика и измеренной температуры поля в точках пространства с координатами вдоль оси x расположения участка датчика, расположенного в ряде Р1, при этом в табл.4 строка С12 является продолжением строки С11, С13 является продолжением строки С12 и т.д. до С18.

Анализ таблицы 4 показывает, что в интервале координат от 95 до 285 см наблюдается равномерное распределение температуры; в интервалах координат от 0 до 90 см и от 290 до 350 см наблюдается электрическое сопротивление, которому соответствует температура меньше 600°C, что соответствует температуре в нерабочей зоне, которая в свою очередь не определялась.

В таблице 5 представлены результаты измеренного электрического сопротивления на единицу длины участка датчика, расположенного в ряде Р10 в зависимости от координаты по длине участка датчика и измеренной температуры в точках пространства с координатами вдоль оси x расположения участка датчика, расположенного в ряде Р10, при этом в табл. 5 строка С20 является продолжением строки С19, строка С21 является продолжением строки С20 и т.д. до С26. Аналогично можно получить результаты измеренной температуры в точках пространства с координатами вдоль оси x для других участков датчика.

Анализ таблицы 5 показывает, что в интервале координат от 70 до 100 см наблюдается увеличение температур от 601 до 649°C, в интервале координат от 280 до 320 см наблюдается снижение температур от 649 до 600°C соответственно, в интервале координат от 105 до 275 см наблюдается равномерное распределение температуры, в интервалах координат от 0 до 65 см и от 325 до 350 см наблюдается электрическое сопротивление, которому соответствует температура меньше 600°С, что соответствует температуре в нерабочей зоне, которая в свою очередь не определялась.

Пример 4. В исследуемую область пространства температурного поля исследуемой микропечи карбонизации (фиг. 9 поз. 14), в качестве нагревательного элемента которой выступает графитовый стержень длинной 2 мм (фиг. 9 поз. 15), закрепленный на держателях (фиг. 9 поз. 16), помещают датчик измерения температурного поля в виде непрерывной электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола (фиг. 9 поз. 1), например, монофиламентной нити с диаметром 1 мкм и длинной 6 мм, закрепленный на держателях датчика (фиг. 9 поз. 17). Затем в печи создают химически инертную среду - вакуум, нагревают печь до 1500°C. После этого дают печи остыть до 20°C. Затем проводят измерение электрического сопротивления на единицу дины в выбранных точках измерения, соответствующих точкам с координатами точек определения температурного поля в области пространства рабочего объема печи, по длине нити с шагом между точками измерения 0,4 мкм с расстоянием между измерительными электродами (фиг. 10 поз. 5, фиг. 11 поз. 5) 0,2 мкм, расположенными на сапфировой пластине (фиг. 10 поз. 18, фиг. 11 поз. 18), используя омметр (фиг. 10 поз. 6). Измерение проводят следующим образом: к статично закрепленному датчику (фиг. 10, 11 поз. 1) прикладывают сапфировую пластину (фиг. 10, 11 поз. 18) с измерительными электродами (фиг. 10, 11 поз. 6) к датчику и измеряют электрическое сопротивление в пяти точках (фиг. 11 - ТИ1, ТИ2, ТИ3, ТИ4, ТИ5). Затем, сапфировую пластину передвигают на следующий интервал, содержащий 5 точек измерения, причем интервал равен 200 мкм, что является технологически достаточным. После этого определяют значения температур в выбранных точках по длине датчика путем сравнения полученных результатов электрического сопротивления датчика с предварительно построенной градуировочной кривой (фиг. 1) зависимости электрического сопротивления датчика от температуры и на основе определенных ранее значений температур в выбранных точках и координат этих точек в области пространства рабочего объема печи определяют температурное поле в области пространства рабочего объема печи.

В таблице 6 приведены результаты измерений температур в точках пространства рабочего объема с координатами вдоль оси x расположения датчика, при этом в табл.6 каждая строка С содержит 5 точек измерения (от ТИ1 до ТИ5, фиг. 11) на указанном интервале, так для строки С26 этим интервалом является интервал от 0 до 1,6 мкм, для строки С27 - от 200 до 201,6 мкм и т.д. Аналогично можно получить температуры во всех остальных интервалах пространства рабочего объема вдоль расположения датчика.

Анализ таблицы 6 показывает, что в интервалах координат от 2200,0 до 2201,6 мкм, от 2500,0 до 2501,6 мкм и от 3000,0 до 3001,6 мкм наблюдается равномерное распределение температуры; в интервалах от 0 до 1,6 мкм, от 200,0 до 201,6 мкм, от 500,0 до 501,6 мкм, от 1000,0 до 1001,6 мкм, от 1500,0 до 1501,6 мкм, от 2000,0 до 2001,6 мкм) наблюдается увеличение температур от интервала к интервалу от 600,0 (строка С25) до 1432,8°C (строка С31).

Результатом заявленного изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно повышение температурной границы определения температурного поля до 2300°C за счет использования в качестве датчика гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола, состоящей из элементов, образующих единое целое, при одновременном повышении точности измерения температурного поля в малых объемах и возможности определения температурного поля в точках пространства с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм, а также с точностью по температуре до 0,311*10-7°C.

Датчик измерения температурного поля в точках пространства расположения элементов датчика разового использования для высокотемпературных печей со средой, химически инертной по отношению к датчику измерения температурного поля, состоящий из элементов, фиксирующих температуру в области пространства, где они расположены, меняющий свое состояние в процессе нагрева температуры температурного поля с температурой от 600°C, отличающийся тем, что датчик измерения температурного поля выполнен в виде гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиоксадиазола, состоящей из элементов, образующих единое целое в составе нити, меняющий свое физико-химическое состояние под действием температурного поля, фиксирующий максимальную температуру температурного поля от 600°C до 2300°C в области пространства определения температурного поля в точках с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм.



 

Похожие патенты:

Устройство относится к измерительной технике, в частности к техническим средствам измерения температуры зерна во время сушки и хранения. Заявлено многоканальное устройство контроля температуры, содержащее блок питания, преобразователь сопротивления в длительность импульсов, блок коммутации, формирователь сигналов, блок индикации информации.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано для сигнализации о возрастании гидравлического сопротивления топливного фильтра до заданного критического значения, служащего критерием для его замены или очистки, а также о падении давления на входе фильтра и чрезмерном нагреве топлива.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры окружающей среды. Устройство для измерения температуры содержит резистивный датчик температуры 1, включенный в управляющую цепь ждущего мультивибратора 2, выход которого через последовательно соединенные управляемый мультивибратор 3, электроакустическую линию задержки 4 и усилитель 5 подключен к управляющему входу ждущего мультивибратора 2, выход которого также соединен с первым входом логической схемы И 6, второй вход которой связан с выходом генератора опорной частоты 7.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при тепловых испытаниях печей, применяемых для высокотемпературных обработок материалов, например графитации, для определения температурных полей внутри печи.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при тепловых испытаниях печей, применяемых для высокотемпературных обработок материалов, например карбонизации, для определения температурных полей внутри печи.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для увеличения длительности межкалибровочного интервала (МКИ) интеллектуального средства измерений температуры.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для криогенных температур. Предложено устройство для измерения криогенных температур, содержащее термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления.

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в многоканальных устройствах для измерения температур с помощью термопреобразователей сопротивления.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения температуры контактными резисторными датчиками в окружающей среде и в технологических процессах. Техническим результатом изобретения является повышение точности за счет уменьшения динамической погрешности измерения, обусловленной тепловой инерцией датчика, снижения случайной и систематической погрешностей вторичного измерительного преобразователя схемно-алгоритмическим способом. Измеритель выполнен в составе измерительного моста 1, блока преобразования и обработки 2 и источника питания 3.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения неисправности датчика температуры, используемого в устройстве формирования изображения.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при тепловых испытаниях печей, применяемых для высокотемпературных обработок материалов, например графитации, для определения температурных полей внутри печи.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при тепловых испытаниях печей, применяемых для высокотемпературных обработок материалов, например карбонизации, для определения температурных полей внутри печи.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к микроволновым радиометрам, и может использоваться в дистанционном зондировании Земли, медицине, поиске радиотепловых аномалий и т.д.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения температуры. Способ включает в себя предварительное построение экспериментальной градуировочной кривой зависимости от температуры величины магнитного поля в точке антипересечения уровней (АПУ) энергии спиновых центров с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, содержащихся в кристалле карбида кремния.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается оптического квантового термометра. Термометр включает в себя генератор низкой частоты (НЧ), конденсатор, катушку электромагнита, помещенный в катушку активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, источник постоянного тока, синхронный детектор, блок управления, лазер и фотоприемник.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения исправности бурового оборудования. Описывается система и способ определения исправности бурового оборудования.
Изобретение относится к области геофизики и может быть полезным в процессе комплексной интерпретации данных сейсморазведки и электроразведки при поисках месторождений углеводородов на шельфе.

Изобретении относится к области измерительной техники и может быть предназначено для исследования степени термического повреждения предметов и материалов путем анализа интенсивности отраженного (коэффициент отражения) и остаточного люминесцентного излучения.

Изобретение относится к способам измерения температуры в энергетических единицах. В качестве датчика температуры используют контейнеры, заполненные коллоидным раствором однодоменных ферромагнитных наночастиц.

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, а именно к способам определения теплового действия объекта испытаний (ОИ). Способ определения теплового действия объекта испытания характеризуется тем, что на пункте управления испытаниями (ПУИ) устанавливают информационный датчик, имеющий геодезическую привязку к системе пространственных координат испытательной площадки (ИП), устанавливают на ОИ маяк, включают маяк ОИ и измерители температуры, имеющие приемо-передающую антенну, соединенные каждый с матрицей n датчиков температуры, расположенных в каждой ИТ, принимают информационным датчиком сигналы от маяка ОИ и измерителей температуры, обрабатывают поступившие сигналы, определяют пространственные координаты ОИ и измерителей температуры на ИП, сохраняют координаты ОИ и измерителей температуры в памяти ЭВМ, убирают маяк с ОИ, производят подрыв ОИ, измеряют максимальную температуру, изменение температуры во времени и тепловой импульс в каждой измерительной точке, профиль теплового поля в измерительной точке, обрабатывают результаты измерений и записывают параметры теплового поля в каждой измерительной точке в блок памяти ЭВМ, формируют в автоматизированном режиме документ испытания.
Наверх