No Image

Новости в технологии производства термопреобразователей

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
12 декабря 2019

В далеком 1822 году немецкий физик Томас Зеебек, экспериментируя с замкнутой цепью из разнородных проводников, открыл эффект, который до сих пор лежит в основе измерения температуры с помощью термоэлектрических устройств — термопар, применяемых в любых сферах промышленности, автоматике, научных исследованиях и медицине. Именно они оберегают вверенное им оборудование от перегрева.

Простейшая термопара представляет собой две тонких проволоки разнородного металла, скрученные или спаянные между собой. На месте соединения образуется маленький шарик или, как говорят технари, рабочий спай. Именно его помещают в ту среду, температуру которой предстоит измерить. Два других конца, холодные спаи, соединяются с измерительным прибором, например, с милливольтметром. Когда на одном из участков цепи меняется температура, создается определенное напряжение, что в свое время и обнаружил Томас Зеебек. Если принцип, открытый и описанный почти 200 лет назад остается неизменным, то технологии изготовления термопар непрерывно следуют за своим временем.

По таблице Менделеева

Как было сказано выше, термопара содержит два электрода, причем из разнородных материалов. Сегодня имеется около десятка термопар разных типов, обозначаемых буквами латинского алфавита, что заложено в основу международного стандарта. У каждого типа свои характеристики и разный температурный порог, который обеспечивают именно используемые электроды. Поэтому за время своего существования самый главный эволюционный путь термопары лежит в пределах таблицы Менделеева, элементы которой используются для изготовления сплавов, образующих термоэлектрическое устройство. Например, хромель получен из 90% никеля и 10% хрома, а копель — из 43,5% никеля и 56,5% меди.

В настоящий момент классифицированы следующие основные типы термопар:

  • Хромель-константановые.
    Используются в широком температурном диапазоне от -50°С до 740°С. Обладают высокой чувствительностью и хорошо себя зарекомендовали в условиях низких температур.
  • Железо-константановые.
    Плюсовой предел температуры немного выше, чем у предыдущих (от -40°С до 750°С). Отличаются невысокой ценой.
  • Хромель-алюмелевые.
    Приобрели популярность ввиду большого диапазона измерений (от -200°С до 1350°С). Используются в неокисляющей среде.
  • Никель-молибденовые.
    Пожалуй, самый распространенный вариант температурных датчиков, используемых в вакуумных печах. Предел измерения до 1400°С.
  • Никросил-нисиловые.
    Могут использоваться в окисляющих средах, стабильные измерения в температурном диапазоне от -270°С до 1300°С.
  • Родий-платиновые.
    Высокая стабильность и цена. Используются при измерении высоких температур (до 1800°С).
  • Рений-вольфрамовые.
    Измеряют очень высокие температуры (до 2500°С). Не подходят для окисляющих сред.

На этом перечисление сочетаний компонентов не заканчивается, однако термопары для более сложных или нестандартных применений изготавливаются, как правило, под заказ. Например, известны зарубежные разработки из чистых металлов — золото-платиновые и платина-палладиевые. Отчеты исследований говорят о лучшей достигнутой стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами. Однако их массовое применение будет непременно ограничено стоимостью, которую определяет целый ряд слагаемых.

— Конечно, в первую очередь на цену влияет качество материалов, — говорит директор ООО «Авелен» Андрей Гончаров. — В то же время немаловажно и строгое соблюдение технологии сборки, т.к. любое загрязнение сокращает срок службы и приводит к быстрому выходу из строя, росту погрешности измерения. К примеру, применение в качестве чехлов термопар жаропрочной, сварной трубы вместо цельнотянутой, сокращает срок службы почти вдвое.

Обладая рядом недостатков, термопары все же являются самыми высокотемпературными из всех контактных датчиков и более доступны по цене. По оценкам специалистов, на отечественном рынке КИПиА присутствует более трехсот производителей термопар, среди которых порядка пятнадцати — это российские компании.

Такая наполненность рынка помимо прочего объясняется легкостью изготовления данного типа датчиков, что отчасти служит и причиной к появлению подделок и заимствования технологий. В частности, по словам А. Гончарова, такие факты известны применительно к продукции ЗАО «НПК «Эталон», поставщиком которой является «Авелен». Речь идет и о поддельных паспортах, и о широком использовании зарубежными компаниями при поставках в Россию для стекольной промышленности конструкций благородных термопар, разработанных волгодонскими конструкторами.

Но не только материалы определяют развитие технологий. Так, для изготовления рабочего спая успешно применяется лазерная сварка, которая позволяет исключить образование в нем дефектов: микротрещин, непровара, пор, свищей и т.д., приводящих к преждевременному разрушению. В то же время необходимо учитывать, что при высокотемпературной эксплуатации (вследствие окисления) характеристика термопары по сравнению с номинальной может измениться, поэтому для их стабилизации используют датчики на основе КТМС (Кабель Термопарный с Минеральной изоляцией в Стальной оболочке). И вот об этом мы расскажем подробнее.

Устойчивость и стабильность

Как было сказано выше, на рынке представлено множество модификаций термопар, выполненных из различных материалов, имеющих различное конструктивное исполнение и предназначенных для разного диапазона измеряемых температур.

При производстве обычных проволочных термопар с термоэлектродами они помещаются внутрь оплетки из кремнеземной нити (рис. 1) или керамических бус (рис. 2). Однако при высоких температурах оплетка из кремнеземной нити становится хрупкой и может частично разрушиться при вибрации, что в свою очередь может привести к замыканию термоэлектродов. Керамическая оболочка более стойка к высоким температурам, но при длительной эксплуатации возможно окисление термоэлектродов, что вызывает рост погрешности измерения. Для стабилизации характеристик измерения при высоких температурах и расширения применений термопар производятся датчики на основе КТМС.

Конструктивно КТМС состоит из гибкой металлической трубки с встроенными термоэлектродами (рис. 3). Пространство между ними и стальной жаростойкой оболочкой заполнено уплотненной дисперсной минеральной изоляцией — оксидом магния. Такая конструкция позволяет изгибать монтажную часть под различным углом для вывода рабочего спая в требуемое место крепежа, а также обматывать различные объекты для измерения температуры поверхности. Для дополнительной защиты термоэлектродов от воздействия окружающей среды термопары могут производиться в защитных чехлах, который одновременно служит монтажной частью датчика.

— Защитный чехол следует выбирать исходя из максимальной температуры измерения и среды применения, — объясняет руководитель Ассортиментного направления «Датчики» компании ОВЕН Зоя Чернова.

— Например, чехлы из сталей 08X18Н10/10X17Н13М2/08Х18Н12Б хорошо стоят в окислительных или нейтральных средах при температуре до 900°С. А сталь ХН45Ю можно применять до температуры 1300°С — для измерения температуры в горелочных устройствах или в печах обжига керамики. Термопары из AISI 310 применяются при температуре до 1100°С, они используются в паровых котлах, доменных печах, печах для обжига цемента и кирпича, в производстве стекла.

Наиболее распространенными материалами термоэлектродов для термопар на основе КТМС являются хромель-копель (до 600°С), хромель-алюмель (до 1100°С), нихросил-нисил (от -40 до 1250°С), что позволяет использовать их для замены дорогостоящих термопар из драгоценных металлов.

В качестве примера можно привести датчики на основе КТМС, выпускаемые компанией ОВЕН. Так, модельный ряд с коммутационной головкой ДТПхх5 включает как совершенно новые модели, так и модернизированные — выпускаемые ранее только как проволочные термопары. Новые модели производятся с металлической и пластиковой коммутационной головкой. На рис. 4 представлены термопары на основе КТМС с коммутационной головкой и показано, каким образом может быть изогнута монтажная часть датчика. КТМС может быть различного диаметра: 3, 4 и 4,5 мм, стальная оболочка КТМС — из сталей AISI 321, AISI 310, Nicrobell D (рис. 5).

Жаропрочные модели производятся только с металлической коммутационной головкой и диаметром КТМС 4,5 мм. В этих моделях КТМС устанавливается в защитный чехол из стали или керамики (рис. 6).

Читайте также:  Компактный биотуалет для дачи

В моделях термопар с кабельным выводом ДТПхх4 диаметр КТМС может быть от 1,5 до 4,5 мм. На рис. 7 представлены различные модификации термопар КТМС с кабельным выводом.

Ближайшие перспективы

Несмотря на простоту и кажущееся несоответствие тенденциям сегодняшнего технического развития, термопары решают поставленные перед ними задачи в самых разных отраслях (металлургии, стекловарении, энергетике и др.) и устанавливаются в технически сложное оборудование (высокотемпературные агрегаты, воздухоподогреватели, котельные установки и др.). Получать стабильные показатели температурных измерений позволяют датчики на основе КТМС, и эта технология считается одной из самых современных при производстве термопар.

Преимущества термопар на основе КТМС в сравнении с проволочными:

  • низкий показатель тепловой инерции (например, 2 сек — для КТМС диаметром 4,5 мм), что позволяет применять их для регистрации быстропротекающих процессов;
  • высокая стабильность и высокий рабочий ресурс (превышение в 2-3 раза по сравнению с обычными проволочными термопреобразователями);
  • возможность изгиба и монтажа их в труднодоступных местах, кабельных каналах, при этом длина термопреобразователя может достигать 60-100 метров;
  • возможность различных вариантов установки. Термопары КТМС можно приваривать, припаивать или крепить к поверхности хомутом или на винт;
  • выдерживают большие рабочие давления.

По мнению руководителя АН «Датчики» компании ОВЕН Зои Черновой, в ближайшее время будет продвижение и инновации в развитии материалов защитных чехлов, будут использоваться многослойные конструкции, чехлы из полимерных материалов, биополимеров и композитов. Опять же в разрезе Индустрии 4.0 весь полевой уровень становится более интеллектуальным, дабы просто интегрироваться в облачную систему. Поэтому в основном будут развиваться различные нормирующие преобразователи, которые встраиваются в датчик.

— Если говорить о ближайшем будущем, то получат широкое распространение термопары с оперативным каналом, что позволяет осуществлять дистанционную поверку, — уверен директор ООО «Авелен» Андрей Гончаров. — Применение преобразователей на базе процессора делает возможным внесение поправок для уменьшения погрешности измерения.

Как видно, специалисты схожи в своих комментариях, а, значит, при соблюдении технологии изготовления и освоении новых способов производства, термопары по-прежнему будут востребованы еще долгие годы.

Редакция журнала
«Электротехнический рынок»

В далеком 1822 году немецкий физик Томас Зеебек, экспериментируя с замкнутой цепью из разнородных проводников, открыл эффект, который до сих пор лежит в основе измерения температуры с помощью термоэлектрических устройств — термопар, применяемых в любых сферах промышленности, автоматике, научных исследованиях и медицине. Именно они оберегают вверенное им оборудование от перегрева.

Простейшая термопара представляет собой две тонких проволоки разнородного металла, скрученные или спаянные между собой. На месте соединения образуется маленький шарик или, как говорят технари, рабочий спай. Именно его помещают в ту среду, температуру которой предстоит измерить. Два других конца, холодные спаи, соединяются с измерительным прибором, например, с милливольтметром. Когда на одном из участков цепи меняется температура, создается определенное напряжение, что в свое время и обнаружил Томас Зеебек. Если принцип, открытый и описанный почти 200 лет назад остается неизменным, то технологии изготовления термопар непрерывно следуют за своим временем.

По таблице Менделеева

Как было сказано выше, термопара содержит два электрода, причем из разнородных материалов. Сегодня имеется около десятка термопар разных типов, обозначаемых буквами латинского алфавита, что заложено в основу международного стандарта. У каждого типа свои характеристики и разный температурный порог, который обеспечивают именно используемые электроды. Поэтому за время своего существования самый главный эволюционный путь термопары лежит в пределах таблицы Менделеева, элементы которой используются для изготовления сплавов, образующих термоэлектрическое устройство. Например, хромель получен из 90% никеля и 10% хрома, а копель — из 43,5% никеля и 56,5% меди.

В настоящий момент классифицированы следующие основные типы термопар:

  • Хромель-константановые.
    Используются в широком температурном диапазоне от -50°С до 740°С. Обладают высокой чувствительностью и хорошо себя зарекомендовали в условиях низких температур.
  • Железо-константановые.
    Плюсовой предел температуры немного выше, чем у предыдущих (от -40°С до 750°С). Отличаются невысокой ценой.
  • Хромель-алюмелевые.
    Приобрели популярность ввиду большого диапазона измерений (от -200°С до 1350°С). Используются в неокисляющей среде.
  • Никель-молибденовые.
    Пожалуй, самый распространенный вариант температурных датчиков, используемых в вакуумных печах. Предел измерения до 1400°С.
  • Никросил-нисиловые.
    Могут использоваться в окисляющих средах, стабильные измерения в температурном диапазоне от -270°С до 1300°С.
  • Родий-платиновые.
    Высокая стабильность и цена. Используются при измерении высоких температур (до 1800°С).
  • Рений-вольфрамовые.
    Измеряют очень высокие температуры (до 2500°С). Не подходят для окисляющих сред.

На этом перечисление сочетаний компонентов не заканчивается, однако термопары для более сложных или нестандартных применений изготавливаются, как правило, под заказ. Например, известны зарубежные разработки из чистых металлов — золото-платиновые и платина-палладиевые. Отчеты исследований говорят о лучшей достигнутой стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами. Однако их массовое применение будет непременно ограничено стоимостью, которую определяет целый ряд слагаемых.

— Конечно, в первую очередь на цену влияет качество материалов, — говорит директор ООО «Авелен» Андрей Гончаров. — В то же время немаловажно и строгое соблюдение технологии сборки, т.к. любое загрязнение сокращает срок службы и приводит к быстрому выходу из строя, росту погрешности измерения. К примеру, применение в качестве чехлов термопар жаропрочной, сварной трубы вместо цельнотянутой, сокращает срок службы почти вдвое.

Обладая рядом недостатков, термопары все же являются самыми высокотемпературными из всех контактных датчиков и более доступны по цене. По оценкам специалистов, на отечественном рынке КИПиА присутствует более трехсот производителей термопар, среди которых порядка пятнадцати — это российские компании.

Такая наполненность рынка помимо прочего объясняется легкостью изготовления данного типа датчиков, что отчасти служит и причиной к появлению подделок и заимствования технологий. В частности, по словам А. Гончарова, такие факты известны применительно к продукции ЗАО «НПК «Эталон», поставщиком которой является «Авелен». Речь идет и о поддельных паспортах, и о широком использовании зарубежными компаниями при поставках в Россию для стекольной промышленности конструкций благородных термопар, разработанных волгодонскими конструкторами.

Но не только материалы определяют развитие технологий. Так, для изготовления рабочего спая успешно применяется лазерная сварка, которая позволяет исключить образование в нем дефектов: микротрещин, непровара, пор, свищей и т.д., приводящих к преждевременному разрушению. В то же время необходимо учитывать, что при высокотемпературной эксплуатации (вследствие окисления) характеристика термопары по сравнению с номинальной может измениться, поэтому для их стабилизации используют датчики на основе КТМС (Кабель Термопарный с Минеральной изоляцией в Стальной оболочке). И вот об этом мы расскажем подробнее.

Устойчивость и стабильность

Как было сказано выше, на рынке представлено множество модификаций термопар, выполненных из различных материалов, имеющих различное конструктивное исполнение и предназначенных для разного диапазона измеряемых температур.

При производстве обычных проволочных термопар с термоэлектродами они помещаются внутрь оплетки из кремнеземной нити (рис. 1) или керамических бус (рис. 2). Однако при высоких температурах оплетка из кремнеземной нити становится хрупкой и может частично разрушиться при вибрации, что в свою очередь может привести к замыканию термоэлектродов. Керамическая оболочка более стойка к высоким температурам, но при длительной эксплуатации возможно окисление термоэлектродов, что вызывает рост погрешности измерения. Для стабилизации характеристик измерения при высоких температурах и расширения применений термопар производятся датчики на основе КТМС.

Читайте также:  Напряжение эмиттер база что это

Конструктивно КТМС состоит из гибкой металлической трубки с встроенными термоэлектродами (рис. 3). Пространство между ними и стальной жаростойкой оболочкой заполнено уплотненной дисперсной минеральной изоляцией — оксидом магния. Такая конструкция позволяет изгибать монтажную часть под различным углом для вывода рабочего спая в требуемое место крепежа, а также обматывать различные объекты для измерения температуры поверхности. Для дополнительной защиты термоэлектродов от воздействия окружающей среды термопары могут производиться в защитных чехлах, который одновременно служит монтажной частью датчика.

— Защитный чехол следует выбирать исходя из максимальной температуры измерения и среды применения, — объясняет руководитель Ассортиментного направления «Датчики» компании ОВЕН Зоя Чернова.

— Например, чехлы из сталей 08X18Н10/10X17Н13М2/08Х18Н12Б хорошо стоят в окислительных или нейтральных средах при температуре до 900°С. А сталь ХН45Ю можно применять до температуры 1300°С — для измерения температуры в горелочных устройствах или в печах обжига керамики. Термопары из AISI 310 применяются при температуре до 1100°С, они используются в паровых котлах, доменных печах, печах для обжига цемента и кирпича, в производстве стекла.

Наиболее распространенными материалами термоэлектродов для термопар на основе КТМС являются хромель-копель (до 600°С), хромель-алюмель (до 1100°С), нихросил-нисил (от -40 до 1250°С), что позволяет использовать их для замены дорогостоящих термопар из драгоценных металлов.

В качестве примера можно привести датчики на основе КТМС, выпускаемые компанией ОВЕН. Так, модельный ряд с коммутационной головкой ДТПхх5 включает как совершенно новые модели, так и модернизированные — выпускаемые ранее только как проволочные термопары. Новые модели производятся с металлической и пластиковой коммутационной головкой. На рис. 4 представлены термопары на основе КТМС с коммутационной головкой и показано, каким образом может быть изогнута монтажная часть датчика. КТМС может быть различного диаметра: 3, 4 и 4,5 мм, стальная оболочка КТМС — из сталей AISI 321, AISI 310, Nicrobell D (рис. 5).

Жаропрочные модели производятся только с металлической коммутационной головкой и диаметром КТМС 4,5 мм. В этих моделях КТМС устанавливается в защитный чехол из стали или керамики (рис. 6).

В моделях термопар с кабельным выводом ДТПхх4 диаметр КТМС может быть от 1,5 до 4,5 мм. На рис. 7 представлены различные модификации термопар КТМС с кабельным выводом.

Ближайшие перспективы

Несмотря на простоту и кажущееся несоответствие тенденциям сегодняшнего технического развития, термопары решают поставленные перед ними задачи в самых разных отраслях (металлургии, стекловарении, энергетике и др.) и устанавливаются в технически сложное оборудование (высокотемпературные агрегаты, воздухоподогреватели, котельные установки и др.). Получать стабильные показатели температурных измерений позволяют датчики на основе КТМС, и эта технология считается одной из самых современных при производстве термопар.

Преимущества термопар на основе КТМС в сравнении с проволочными:

  • низкий показатель тепловой инерции (например, 2 сек — для КТМС диаметром 4,5 мм), что позволяет применять их для регистрации быстропротекающих процессов;
  • высокая стабильность и высокий рабочий ресурс (превышение в 2-3 раза по сравнению с обычными проволочными термопреобразователями);
  • возможность изгиба и монтажа их в труднодоступных местах, кабельных каналах, при этом длина термопреобразователя может достигать 60-100 метров;
  • возможность различных вариантов установки. Термопары КТМС можно приваривать, припаивать или крепить к поверхности хомутом или на винт;
  • выдерживают большие рабочие давления.

По мнению руководителя АН «Датчики» компании ОВЕН Зои Черновой, в ближайшее время будет продвижение и инновации в развитии материалов защитных чехлов, будут использоваться многослойные конструкции, чехлы из полимерных материалов, биополимеров и композитов. Опять же в разрезе Индустрии 4.0 весь полевой уровень становится более интеллектуальным, дабы просто интегрироваться в облачную систему. Поэтому в основном будут развиваться различные нормирующие преобразователи, которые встраиваются в датчик.

— Если говорить о ближайшем будущем, то получат широкое распространение термопары с оперативным каналом, что позволяет осуществлять дистанционную поверку, — уверен директор ООО «Авелен» Андрей Гончаров. — Применение преобразователей на базе процессора делает возможным внесение поправок для уменьшения погрешности измерения.

Как видно, специалисты схожи в своих комментариях, а, значит, при соблюдении технологии изготовления и освоении новых способов производства, термопары по-прежнему будут востребованы еще долгие годы.

Редакция журнала
«Электротехнический рынок»

Владельцы патента RU 2509989:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для анализа жидких и газообразных сред. Заявлен способ изготовления термопреобразователя сопротивления, согласно которому после герметизации стеклянного чехла с установленным внутри термочувствительным элементом кассету повторно приближают к нагревателю и после заданной выдержки по времени, обеспечивающей размягчение стекла, удаляют кассету в исходное положение, а в вакуумную камеру подают воздух. Под воздействием воздуха размягченное стекло чехла прижимается к контактирующим с ним изнутри виткам термочувствительного элемента и жестко фиксирует их в процессе остывания. Для расширения функциональных возможностей в стеклянном чехле дополнительно с термочувствительным элементом устанавливают элемент косвенного нагрева. Технический результат: повышение надежности и виброустойчивости конструкции термопреобразователя в процессе эксплуатации. 1 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к области разработки микроминиатюрных малоинерционных систем измерения и анализа жидких и газообразных сред в условиях внешнего динамического воздействия. В частности — в условиях геофизических исследований скважин в процессе бурения.

Для контроля температурного поля среды в условиях высоких давлений и температур широко применяются термометры сопротивления, состоящие из герметичного корпуса и размещенного внутри него чувствительного элемента в виде изолированной проволоки, спирально намотанной на дополнительный каркас, либо в виде спирального жгута из неизолированной проволоки, размещенного у каналах керамического каркаса, либо в виде свободно протянутой проволоки в полости спирального трубчатого каркаса (А.с. СССР №1044775, E21B 47/06, G01K 7/16,1 983. Абрукин А.Л. Потокометрия скважин. М., «Недра», 1978. C.151).

К недостаткам известных устройств следует отнести высокую инерционность измерений, а также низкую надежность конструкции. Это обусловлено тем, что чувствительный элемент выполнен из большого числа составных элементов, а для работоспособности устройства при его изготовлении необходимо соблюдение определенных условия(изоляция проволоки, соосность каркаса с защитным корпусом, соблюдение определенных режимов температуры и давления в корпусе, и т.д.). При эксплуатации в условиях внешних динамических воздействий (например, при геофизических исследованиях в скважине) такой чувствительный элемент легко может выйти из строя.

Известен термопреобразователь сопротивления (РФ, патент №1420391, G01K 7/16, 1982), взятый за прототип, отличающийся низкой инерционностью, высокой точностью измерения и простотой конструкции.

К недостатку данного устройства следует отнести нестабильность измерений, снижающую их точность. Это обусловлено тем, что чувствительный элемент, выполненный в виде биспирали, свободно размещен в вакууммированном чехле. При эксплуатации в результате внешних динамических воздействий витки чувствительного элемента могут замкнуться между собой, искажая параметр.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений термопреобразователя сопротивления за счет снижения его инерционности, расширение его функциональных возможностей, а также — повышение надежности конструкции.

Поставленная задача решается следующим образом.

В соответствии со способом изготовления термопреобразователя сопротивления, включающим операцию изготовления проволочного термочувствительного элемента в виде моно — или полиспирали, установку термочувствительного элемента в стеклянный чехол, помещение стеклянного чехла с термочувствительным элементом в кассету, установку кассеты в вакуумную камеру с внешним нагревателем, повышение посредством нагревателя температуры в вакуумной камере, создание вакуума, приближение к нагревателю кассеты со стеклянным чехлом и герметизацию последнего под воздействием повышенной температуры, согласно изобретению после герметизации стеклянного чехла кассету повторно приближают к нагревателю и после заданной выдержки по времени, обеспечивающей размягчение стеклянного чехла, кассету удаляют от нагревателя в исходное положение, а в вакуумную камеру подают воздух, под воздействием которого размягченное стекло чехла прижимается к виткам спирали термочувствительного элемента, контактирующим с внутренней поверхностью стеклянного чехла.

Читайте также:  Неравномерная нагрузка по фазам

Кроме того, как вариант описанного способа, в стеклянный чехол предварительно помещают элемент косвенного нагрева, устанавливаемый по продольной оси стеклянного чехла не касаясь термочувствительного элемента.

Предложенный способ изготовления термопреобразователя сопротивления обеспечивает высокую точность измерений, расширение функциональных возможностей, высокую надежность и виброустойчивость конструкции при работе в условиях динамического воздействия окружающей среды.

Надежность и виброустойчивость конструкции обеспечивается жесткой фиксацией термочувствительного элемента внутри стеклянного чехла. Это достигается тем, что нагретое размягченное стекло чехла под воздействием давления подаваемого в вакуумную камеру воздуха прогибается и прижимается, частично вдавливаясь, к поверхностям витков спирали термочувствительного элемента, контактирующим с внутренней поверхностью чехла. В точках касания спирали термочувствительного элемента в размягченным стеклом на последнем образуются углубления. Остывая, стекло твердеет, жестко фиксируя «прихваченные» витки спирали в образованных углублениях внутренней поверхности чехла, обеспечивая тем самым жесткую фиксацию термочувствительного элемента в стеклянном чехле.

Предложенный способ, по сравнению с прототипом, упрощает процедуру монтажа термочувствительного элемента в стеклянный чехол, поскольку позволяет изготавливать термочувствительный элемент диаметром меньше внутреннего диаметра стеклянного чехла — термочувствительный элемент свободно входит в стеклянный чехол и фиксируется внутри последнего за счет размягчений стекла.

Причем, поскольку стенка чехла в точках «прихвата» термочувствительного элемента становится тоньше, теплопроводность в этих точках возрастает, а следовательно — инерционность измерения снижается по сравнению с прототипом.

Как известно, температура саморазогрева спирали термочувствительного элемента под воздействием пропущенного через него тока не превышает 0,15% от величины самого тока, что позволяет с высокой точностью контролировать величину теплообмена между термопреобразователем сопротивления и окружающей его средой. Оснащение согласно изобретению термочувствительного элемента термопреобразователя сопротивления элементом косвенного нагрева позволяет повысить температуру саморазогрева спирали термочувствительного элемента на величину свыше 15% от величины пропущенного тока. В этом случае данный термопреобразователь сопротивления может использоваться в качестве термоанемометра, расширяя тем самым функциональные возможности устройства.

При этом дополнительный косвенный нагрев термочувствительного элемента в совокупности с точечными контактами термочувствительного элемента с поверхностью стеклянного чехла значительно повышает чувствительность устройства.

Таким образом, предложенный способ изготовления термопреобразователя сопротивления обеспечивает по сравнению с прототипом более высокую надежность и виброустойчивость конструкции в процессе эксплуатации, а также — расширенные функциональные возможности его эксплуатации. При этом предложенный способ отличается высокой технологичностью, поскольку не требует для практической реализации специального оборудования и/или материалов.

На практике реализация предложенного способа изготовления термопреобразователя сопротивления (варианты) осуществляется следующим образом.

Для изготовления термочувствительного элемента производят навивку с заданным шагом спирали из тонкого термочувствительного провода на более толстый провод-керн, причем. Материал керна выбирают химически более активным по сравнению с материалом термочувствительного провода, а диаметр термочувствительного провода d и диаметр керна D выбирают из соотношения D≤4d. После химического вытравливания керна в смеси кислот производят навивку полученной моноспирали на керн диаметром 2D с шагом навивки в два раза больше предыдущего (при повторе описанной операции можно получить триспираль и т.д.

(В нашем случае моноспираль изготавливалась из вольфрамового провода диаметром 0,004 мм, навиваемого на молибденовый керн диаметром 0,0015 мм с шагом навивки моноспирали — 0,007 мм. Диаметр керна для биспирали составил 0,08 мм, а шаг навивки биспирали составил 0,033 мм.)

После химического вытравливания второго керна производят высокотемпературный отжиг (1200 -1400°C) полученной биспирали для сохранения ее формы и стабилизации температурного коэффициента полученного термочувствительного элемента.

Готовый термочувствительный элемент помещают в стеклянный чехол по его продольной оси. Далее стеклянный чехол с термочувствительным элементом устанавливают в кассету, которую помещают в вакуумную камеру. Вакуумная камера снабжена внешним нагревательным элементом (горелками), а кассета имеет возможность цикличного перемещения внутри вакуумной камеры относительно нагревательного элемента. Включают вакуумную установку и нагревательный элемент. В процессе цикличного перемещения кассеты в вакуумной камере стеклянный чехол с термочувствительным элементом с заданной периодичностью приближается к нагревательному элементу. В процессе откачки воздуха одновременно происходят постепенный разогрев стеклянного чехла, оплавление его торцов и герметизация полости чехла.

После герметизации вакууммированного стеклянного чехла кассету вновь приближают к нагревательному элементу на заданное время, обеспечивающее размягчение стеклянного чехла по всей длине. Затем кассету удаляют от нагревательного элемента в исходное положение, а в вакуумную камеру подают воздух. Под воздействием атмосферного давления (давления воздуха) размягченное стекло вакууммированного чехла равномерно по всей поверхности прогибается и прижимается к поверхности витков биспирали термочувствительного элемента, контактирующих с внутренней поверхностью чехла. В точках касания витков биспирали с размягченным стеклом на последнем образуются углубления. Остывая, стекло твердеет, жестко фиксируя «прихваченные» витки биспирали термочувствительного элемента в образованных углублениях внутренней поверхности чехла.

Далее производят извлечение стеклянного чехла с жестко зафиксированным внутри термочувствительным элементом из кассеты и осуществляют его монтаж в защитный кожух для дальнейшей эксплуатации по назначению.

Как вариант исполнения, авторами был изготовлен термопреобразователь сопротивления с термочувствительным элементом в виде вольфрамовой моноспирали с проводом косвенного нагрева, установленным по продольной оси стеклянного чехла. Готовый вакууммированный стеклянный чехол был вмонтирован в стальной защитный кожух.

В процессе эксплуатации при скважинных геофизических исследованиях при давлении до 150 МПа саморазогрев термочувствительно элемента составил 2000°C, и устройство использовалось в качестве термопреобразователя сопротивления. При пропускании электричесгого тока через провод косвенного нагрева саморазогрев термочувствительного элемента увеличился до 3000°C, что позволило использовать данное устройство в качестве термоанемометра. При этом инерционность термопреобразователя составила 0,01 с (по сравнению 0,05 с у прототипа).

Таким образом, изготовленный предложенным способом термопреобразователь сопротивления обладает высокой чувствительностью и расширенными функциональными возможностями, что в совокупности с надежностью конструкции и виброустойчивостью обеспечивает возможность ее эффективного использования независимо от условий и динамических воздействий окружающей среды.

1. Способ изготовления термопреобразователя сопротивления, включающий операцию изготовления проволочного термочувствительного элемента в виде моно- или полиспирали, установку термочувствительного элемента в стеклянный чехол, помещение стеклянного чехла с термочувствительным элементом в кассету, установку кассеты в вакуумную камеру с внешним нагревателем, повышение посредством нагревателя температуры в вакуумной камере, создание вакуума, приближение к нагревателю кассеты со стеклянным чехлом и герметизацию последнего под воздействием повышенной температуры, отличающийся тем, что после герметизации стеклянного чехла кассету повторно приближают к нагревателю и после заданной выдержки по времени, обеспечивающей размягчение стеклянного чехла, кассету удаляют от нагревателя в исходное положение, а в вакуумную камеру подают воздух, под воздействием которого размягченное стекло чехла прижимается к виткам спирали термочувствительного элемента, контактирующим с внутренней поверхностью стеклянного чехла, и фиксирует их.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в стеклянный чехол предварительно помещают элемент косвенного нагрева, устанавливаемый по продольной оси стеклянного чехла, не касаясь термочувствительного элемента.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector