Способ определения температурных характеристик в среде жидкого металла и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения полей температуры и ее статистических характеристик в среде жидкого металла, например в потоках жидкометаллического теплоносителя, в каналах охлаждения перспективных ядерных и термоядерных установок, или в замкнутых емкостях при изучении процессов турбулентного переноса путем перемешивания жидкого металла. Техническая задача, решаемая изобретением в части устройства - обеспечение контакта электрода с рабочей жидкостью в произвольной точке исследуемой области канала или замкнутого объема, достигается тем, что известное устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее измерительную систему, сосуд Дьюара, шток, один из двух электродов термопары, установленный на одном конце штока, и механизм перемещения, установленный на другом конце штока, устройство ввода штока в исследуемую область, согласно изобретению снабжено отводной трубкой, соединяющей исследуемый жидкий металл с гильзой с гермовводом, расположенной вне емкости с жидким металлом, помещенной в сосуд Дьюара, второй из электродов термопары через гермоввод также введен в гильзу с исследуемым жидким металлом. Техническая задача, решаемая изобретением в части способа - минимизация искажений, вносимых измерительным элементом. Техническая задача достигается тем, что в известном способе определения температурных характеристик жидкого металла, основанном на использовании термоэлектрического эффекта (термопары), в качестве первого электрода выбран исследуемый жидкий металл. Технический результат - повышение надежности определения температуры в среде жидкого металла за счет отсутствия необходимости в создании громоздкого датчика из двух разнородных металлов посредством сварки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения полей температуры и ее статистических характеристик в среде жидкого металла, например в потоках жидкометаллического теплоносителя, в каналах охлаждения перспективных ядерных и термоядерных установок, или в замкнутых емкостях при изучении процессов турбулентного переноса путем перемешивания жидкого металла.

Ближайшим прототипом является полезная модель, описанная в работе «Шарнирный зонд для исследования полей температуры и скорости в потоках жидкометаллических теплоносителей», патент RU 157153 U1 от 20.11.2015.

Это устройство для измерения температуры и скорости основано на применении классической термопары в разных вариациях и представляет собой зонд с датчиком на конце, который вводится в поток теплоносителя навстречу течению. Координатный механизм, установленный на другом конце, перемещает датчик в двух взаимно перпендикулярных направлениях, позиционируя датчик в любую точку сечения потока за счет рычажного механизма. Зонд позволяет получать подробные поля температуры или скорости в зависимости от датчика.

Недостатком такой конструкции является: сложность изготовления миниатюрного датчика, пригодного по размерам для измерений в замкнутых объемах или в каналах с относительно небольшими размерами. Течение электропроводной жидкости в магнитном поле накладывает ограничения на размер датчика из-за возникновения «переднего следа», который искажает показания датчика, а в замкнутом объеме жидкости с нулевой усредненной по объему скоростью слишком большой датчик вносит возмущение в окружающую среду.

Техническая задача, решаемая изобретением в части способа - минимизация искажений вносимых измерительным элементом. Техническая задача достигается тем, что в известном способе определения температурных характеристик жидкого металла, основанным на использовании термоэлектрического эффекта (термопары), в качестве первого электрода выбран исследуемый жидкий металл.

Техническая задача, решаемая изобретением в части устройства - обеспечение контакта электрода с рабочей жидкостью в произвольной точке исследуемой области канала или замкнутого объема и достигается тем, что известное устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее измерительную систему, сосуд Дьюара, шток, один из двух электродов термопары, установленный на одном конце штока и механизм перемещения, установленный на другом конце штока, устройство ввода штока в исследуемую область, согласно изобретению, снабжено отводной трубкой, соединяющей исследуемый жидкий металл с гильзой с гермовводом, расположенную вне емкости с жидким металлом, помещенную в сосуд Дьюара, второй из электродов термопары через гермоввод также введен в гильзу с исследуемым жидким металлом.

Технический результат - повышение надежности определения температуры в среде жидкого металла за счет отсутствия необходимости в создании громоздкого датчика из двух разнородных металлов посредством сварки.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Один из двух электродов термопары - 1, закрепленный на одном конце штока 2, установленный в измеряемой области с помощью устройства для ввода - 3. Жидкий металл соединен с гильзой - 4, находящейся в сосуде Дьюара - 5 с помощью отводной трубки - 6. Показания с места контакта электрода 1 и жидкого металла передаются на измерительную систему - 7, путем введения контакта через гермоввод 8. Механизм перемещения - 9, устанавливается на другом конце штока. Гильза и элементы устройства ввода изготавливаются из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Материал соединительной трубки выбирается в зависимости от жидкого металла. Если это ртуть, галлий или другие металлы с низкой температурой плавления, то возможно использования гибких шлангов из дюрита и др. с высокой степенью герметичности подключения. Если это металл с высокой температурой плавления, то трубку необходимо изготавливать из металла. Толщина вводимого электрода составляет порядка 10 мкм. Электрод изготавливается из твердого проводника, например капель или константан и закрепляется на штоке с помощью высокотемпературного клея. Из-за опасности выпадения примесей, электрод покрывается слоем меди толщиной несколько микрон с помощью напыления.

Электрод, закрепленный на штоке с одного конца с помощью устройства ввода, устанавливается в исследуемой области и с помощью механизма перемещения позиционируется в соответствии с программой эксперимента в заданную точку. Затем исследуемая область заполняется жидким металлом, который через соединительную трубку попадает в гильзу, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом. В месте контакта жидкого металла и электрода возникает термо-ЭДС в соответствии с эффектом Зеебека и после подачи питания на измерительную систему этот сигнал по компенсационным проводам передается на измерительную систему, затем электрод перемещается в следующую точку. Надежность измеряемых данных обеспечивается миниатюрностью электрода, а безопасность при работе с жидким металлом - герметичностью конструкции.

1. Способ определения температурных характеристик в среде жидкого металла, основанный на использовании термоэлектрического эффекта в термопаре, отличающийся тем, что в качестве одного из двух электродов термопары выбран исследуемый жидкий металл.

2. Устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее измерительную систему, сосуд Дьюара, шток, один из двух электродов термопары, установленный на одном конце штока, и механизм перемещения, установленный на другом конце штока, устройство ввода штока в исследуемую область, отличающееся тем, что оно снабжено отводной трубкой, соединяющей исследуемый жидкий металл с гильзой с гермовводом, расположенной вне емкости с жидким металлом, помещенной в сосуд Дьюара, второй из электродов термопары через гермоввод также введен в гильзу с исследуемым жидким металлом.