УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОЛОСЫ, ДВИЖУЩЕЙСЯ В НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ Российский патент 1994 года по МПК G01K13/06 G01K7/04 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры движущейся металлической полосы в протяжных нагревательных и термических печах в диапазоне 500-1000^оС.

Известно устройство для измерения температуры поверхности тел, находящихся внутри печи, с помощью термоэлектрического преобразователя, вводимого через технологическое отверстие в печи до образования надежного теплового контакта между его рабочим концом и поверхностью измерения, с последующей регистрацией температурного сигнала вторичной измерительной температурой [1] .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры движущейся металлической полосы в печи, содержащее медный тепловоспринимающий элемент (ТЭ) - пластину толщиной 1-2 мм с зачеканенным рабочим концом термоэлектрического преобразователя (ТЭП), через шарнирную подвеску закрепленный на держателе, размещенном внутри полой штанги с возможностью перемещения вдоль нее [2] .

Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает требуемой точности измерения вследствие изменения точностных характеристик термоэлектрических преобразователей и возникновения погрешностей порядка 40-60^оС за счет длительной эксплуатации термоэлектрических преобразователей в различных средах при температурах порядка 1000^оС.

Кроме того, в случае проведения длительных измерений происходит прогрев металлического корпуса устройства за счет теплового излучения от кладки печи, имеющей температуру, на 100-200^оС превышающую температуру полосы, что в свою очередь приводит к снижению точности измерения (погрешность достигает 40^оС), особенно в зонах предварительного нагрева, так как термоэлектрический преобразователь будет фиксировать среднее значение между температурой полосы и кладки, до которого прогреется ТЭ устройства.

Известное устройство ненадежно и неэкономично вследствие сильного механического воздействия на термоэлектроды при размещении и извлечении устройства из печи, а также в процессе измерений, что требует замены всей измерительной системы ТЭ - термопара при каждом новом замере вследствие обрывов термоэлектродов.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры движущейся металлической полосы при одновременном увеличении надежности устройства.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения температуры металлической полосы, движущейся в нагревательной печи, тепловоспринимающий элемент выполнен в виде стержня и снабжен не менее чем пятью концентричными разомкнутыми радиационными экранами с цилиндрической боковой поверхностью, контактирующими между собой через локальные полусферические выпуклости, образованные в них со смещением друг относительно друга в каждой паре смежных экранов, и охватывающими боковую поверхность тепловоспринимающего элемента с образованием контакта с ним через выпуклости нижнего из радиационных экранов, верхний из которых снабжен торцовыми стенками, и теплоизолирующий чехол, геометрические размеры и форма полости которого идентичны размерами и форме тепловоспринимающего элемента с радиационными экранами, закрепленный на штанге и обращенный открытым концом к тепловоспринимающему элементу, а глухое отверстие, отношение длины которого к его диаметру d составляет не менее 9: 1, образовано в одном из торцов тепловоспринимающего элемента, скошенных под тупым углом к его контактной поверхности, на расстоянии h от нее до оси отверстия, выбранном из соотношения 1/2d < h < 3/4d.

Повышение точности измерения достигается за счет разделения ТЭ устройства, располагаемого в печи, и системы измерения его температуры, располагаемой вне печи, устраняя этим влияние печной атмосферы на процесс измерения температуры и одновременно повышая надежность за счет увеличения износостойкости и механической прочности всей системы измерения в целом.

Система радиационных экранов и торцовые скосы на стержне ТЭ предотвращают его нагрев излучением от кладки и нагревателей печи, имеющих температуру до 800^оС, превышающую температуру полосы.

Торцовые скосы отсекают попадание прямого излучения на поверхность ТЭ, не защищенную экранной системой.

Торцовые стенки верхнего радиационного экрана предотвращают конвективные газовые потоки между экранами и улучшают теплоизоляционные свойства экранной системы в целом. Без торцовых стенок за счет сильных газовых потоков в печи происходит интенсивный обдув экранов горячими печными газами и экранная система не функционирует, начиная выполнять функцию дополнительного нагревателя (без торцовых стенок ТЭ перегревается на 100-200^оС по отношению к истинной температуре металлической полосы).

Количество экранов и расстояние между ними (1-2 мм) были определены из расчета теплообмена в системе ТЭ-экран - рабочее пространство печи. Верхний предел количества экранов (не больше 10) ограничен геометрическими размерами технологических отверстий в кладке печи, используемых для размещения устройства на полосе.

Увеличение числа экранов больше 10 не приводит к существенному уменьшению тепловой работы системы в целом, а снижение их числа менее 5 приводит к потере теплоизолирующих свойств экранной системы и прогреву ТЭ.

Нижний предел размера локальных полусферических выпуклостей по поверхности экранов определен из условия предотвращения смыкания экранов, ухудшающего теплоизоляционные свойства системы, а верхний предел ограничен возникновением конвективных потоков между экранами, что ухудшает теплоизолирующий эффект экранной системы.

Благодаря выбранному соотношению размеров: отношения длины глухого отверстия (полосы) в ИЭ к диаметру отверстия и общей длине ТЭ по оси отверстия, составляющего соответственно не менее 9: 1 и 1: 2, указанная полость обладает свойствами абсолютно черного тела (АЧТ). Нагрев рабочего спая термоэлектрического преобразователя (термопары), вводимого в полость ТЭ, происходит за счет теплового излучения от ее стенок. Термоэлектроды термопары располагаются в изотермической зоне, поэтому оттока тепла по ним не происходит.

Кроме того, погрешность за счет кондуктивного теплообмена снижена применением определенного типа ТЭП с малым диаметром термоэлектродов: используется малоинерционная кабельная термопара с диаметром термоэлектродов 0,2 мм и диаметром самого кабеля 1 мм.

Повышение точности измерения достигается также вследствие обеспечения постоянства температуры ТЭ за время измерения за счет размещения его вместе с системой экранов в теплоизолирующем чехле, прогретом в печи (или отходящими газами при расположении чехла над технологическим отверстием в рабочем пространстве печи), геометрические размеры и форма полости которого идентичны размерам и форме ТЭ с радиационными экранами.

Теплоотдача от контактной поверхности ТЭ в процессе измерения практически отсутствует.

Повышение надежности устройства достигается за счет исключения повреждений в системе ТЭ-контрольно-измерительные приборы, требующих при каждом новом измерении замены применяемых дефицитных ТЭП, изготовления рабочих спаев термопар и их зачеканки в ТЭ.

На фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 - тепловоспринимающий элемент с системой радиационных экранов; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 1.

Устройство для измерения температуры металлической полосы содержит медный ТЭ 1 в виде стержня с контактной поверхностью 2, повторяющей форму поверхности металлической полосы (в примере конкретного выполнения - плоской), теплоизоляцию 3 в виде системы радиационных экранов 4 (фиг. 2) с цилиндрической боковой поверхностью, контактирующих между собой через локальные полусферические выпуклости 5. В одном из скошенных торцов 6 ТЭ выполнено глухое отверстие 7 - полость с характеристиками АЧТ для размещения в ней термопары. В другом торце ТЭ имеется резьбовое отверстие 8 для его крепления на держателе 9, через шарнирную подвеску 10 связанном с полой штангой 11, на которой закреплен теплоизолирующий чехол 12 в виде металлического стакана с внутренней вставкой из теплоизолирующего материала.

Крепление чехла произведено с помощью ограничительного фланца 13.

Устройство для измерения температуры металлической полосы работает следующим образом.

Перед началом измерения штанга 11 вводится в печь через отверстие в кладке до касания контактной поверхностью 2 ТЭ 1 в виде цилиндрического медного стержня поверхности движущейся металлической полосы. При касании ТЭ полосы он увлекается по ходу движения. Прижатие ТЭ к полосе осуществляется за счет собственного веса.

В результате теплообмена с полосой ТЭ 1 приобретает ее температуру. Время выхода ТЭ на стационарный режим определяется предварительной тарировкой и составляет для стержня диаметром 40 мм длиной 100 мм - 40 с.

Перед извлечением из печи ТЭ 1 помещается в теплоизолирующий чехол 12, находящийся в печи (или над отверстием в ее рабочее пространство) для прогрева. Снаружи печи, после извлечения из нее, ТЭ 1 в чехле 12 устанавливают на подставке 14, фиксирующей его положение и представляющей собой металлический угловой профиль. Штанга 11 ТЭ 1 крепится в штативе 15. В глухое отверстие 7 вводится малоинерционный ТЭП (термопара хромель-алюмель с диаметром термоэлектродов 0,5 мм и показателем тепловой инерции не более 3 с).

Измерение температуры ТЭ 1 проводится к стационарном режиме за время Δτ , не превышающее периода, в течение которого температура ТЭ 1 не отклоняется от истинной температуры металлической полосы, движущейся в печи, на величину более заданной по условиям требуемой точности. Допустимое время проведения измерения связано с характером теплообмена ТЭ с окружающей средой, где производится измерение, и рассчитывается по формуле
Δτ = , где C_o - удельная теплоемкость материала ТЭ;
m - масса ТЭ;
F - площадь поверхности теплообмена,
F = F_тор + F_o, где F_o - площадь глухого отверстия;
F_тор - площадь боковой поверхности ТЭ, имеющей теплообмен с окружающей средой;
Т_ос - температура окружающей среды, где производится измерение температуры, т. е. внутренней полости, после извлечения из печи теплоизолирующего чехла;
Δ Т - заданное допустимое падение температуры ТЭ, определяемое необходимой точностью измерения температуры;
Т_тэ - предположительная (для первичного расчета) температура ТЭ в момент регистрации сигнала вне печи;
σ_o - 5,67 ˙ 10^-8 Вт/(м² ˙ К) - константа излучения абсолютно черного тела;
ε - степень черноты полости ТЭ, равная 1.

Δτ время остановки температуры ТЭ, равной температуре полосы, определенное по приведенной формуле при с = 415 Дж/кг К; m = 2,4 кг; Δ Т = 5; d_отв = 5 ˙ 10^-3; Т_ос = 1105 К; Т_тэ = 1072 К; σ_o = 5,67 ˙ 10^-8Вт/м² ˙ К составляет 15 с. (56) 1. Фандеев Е. И. и др. Непогружаемые термоприемники. М. : Энергия, 1979, с. 64.

2. Беленький А. М. и др. Устройства для контроля температуры движущейся полосы в протяжных термических печах. Черные металлы, 1983, 7, с. 59-60.

Сущность изобретения: устройство содержит медный тепловоспринимающий элемент (ТЭ) в виде стержня, который через шарнирную подвеску закреплен на держателе. В одном из торцов ТЭ образовано глухое отверстие для установок термоэлектрического преобразователя. ТЭ снабжен не менее пятью концентричными разомкнутыми радиационными экранами с цилиндрической боковой повепхностью, которые контактируют между собой через локальные полусферические выпуклости и охватывают боковую поверхность ТЭ с образованием контакта с ним через выпуклости нижнего из экранов. Полусферические выпуклости образованы в экранах со смещением друг относително друга в каждой паре сменных экранов, верхний из которых снабжен торцовыми стенками. Держатель внутри полой штанги размещен с возможностью перемещения вдоль нее. На штанге закреплен теплоизоляционный чехол, обращенный открытым концом к ТЭ. Геометрические размеры и форма полости чехла идентичным размерам и форме ТЭ с радиационными экранами. Торцы ТЭ скошены под тупым углом к его контактной поверхности, повторяющей форму поверхности металлической полосы. 4 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОЛОСЫ, ДВИЖУЩЕЙСЯ В НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ , содеpжащее медный тепловоспpинимающий элемент с контактной повеpхностью, повтоpяющей фоpму повеpхности металлической полосы, и глухим отвеpстием для установки теpмоэлектpического пpеобpазователя, чеpез шаpниpную подвеску закpепленный на деpжателе, pазмещенном в полой штанге с возможностью пеpемещения вдоль нее, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измеpения пpи одновpеменном увеличении надежности устpойства, тепловоспpинимающий элемент выполнен в виде стеpжня и снабжен не менее чем пятью концентpичными pазомкнутыми pадиационными экpанами с цилиндpической боковой повеpхностью, контактиpующими между собой чеpез локальные полусфеpические выпуклости, обpазованные в них со смещением одна относительно дpугой в каждой паpе смежных экpанов и охватывающими боковую повеpхность тепловоспpинимающего элемента с обpазованием контакта с ним чеpез выпуклости нижнего из pадиационных экpанов, веpхний из котоpых снабжен тоpцевыми стенками, и теплоизолиpующий чехол, геометpические pазмеpы и фоpма полости котоpого идентичны pазмеpам и фоpме тепловоспpинимающего элемента с pадиационными экpанами, закpепленный на штанге и обpащенный откpытым концом к тепловоспpинимающему элементу, а глухое отвеpстие, отношение длины котоpого к его диаметpу d составляет не менее 9 : 1, обpазовано в одном из тоpцов тепловоспpинимающего элемента, скошенных под тупым углом к его контактной повеpхности, на pасстоянии h от нее до оси отвеpстия, выбpанном из соотношения 1/2 d < h < 3/4 d.