УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01K7/00 C21C7/10 

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано, в частности, при измерении и контроле температуры в закрытых вакуумных источниках рафинирования жидких расплавов.

Известно устройство для измерения температуры поверхности нагретых тел от 400 до 2500^oC [1] содержащее корпус телескопа, линзы объектива, термобатареи, компенсационный и шунтирующий резисторы, корпус термобатареи, подвижную и неподвижную диафрагмы, линзу визуального устройства, защитное стекло, крышку, контактный винт, фланец для крепления телескопа к защитной арматуре, штуцер для вывода проводов.

Известно, что излучательная способность реальных тел зависит от индивидуальных особенностей, которые необходимо учитывать при градуировке этих устройств по излучению черного тела. Используя эти устройства для измерения температуры реальных тел, излучающих сплошной спектр, получают значения температур, отличные от действительных температур данных тел, поскольку их излучение не соответствует излучению черного тела. Температуры реальных тел, измеренные по их тепловому излучению, находятся в определенном соотношении с действительными температурами реальных тел и устанавливаются теоретически по законам излучения и тем больше отличаются от действительных, чем значительнее характер излучения этих тел отличается от характера излучения черного тела. Это является принципиальным недостатком методов измерения температуры тел по тепловому излучению. При измерении меняющихся температур по мере отклонения показаний прибора от точек, соответствующих излучению черного тела, погрешность определения действительных температур будет увеличиваться. Эти недостатки в измерении действительных значений температур ограничивает область применения этих устройств на объектах.

Наиболее близким техническим решением является устройство, которое выбрано нами за прототип, содержащее стержень, диск, источник питания, измерительную схему, всасывающий патрубок, сопло [2]
Принцип действия устройства основан на использовании явления термоэмиссии горячими телами. Поток электронов, эмитируемый расплавом, имеет направленное движение к диску, к которому сообщено положительное напряжение определенной величины, вследствие этого между расплавом и диском создается поле с противоположным знаком по отношению к электронам. Электроны, эмитируемые расплавом в поле положительного потенциала, устремляются к диску. Величина тока пропорциональна плотности электронного "облака" над расплавом и определяется по выражению Ричардсона-Дешмана

где K постоянная Больцмана, 1,38•10^-23 Дж/К
e заряд электрона, 1,602•10^-19 Кл.

Φ_o разность потенциалов в тормозящем поле, В
K температура горячего тела, К
D проницаемость потенциального барьера для электродов
Недостатком этого устройства является то, что область использования устройства ограничивается сложностью тарирования в диапазоне высоких температур для закрытых объемов, что требует дополнительных затрат.

В основу изобретения положена задача создания устройства, позволяющего расширить область применения устройства для измерения высоких темпетатур, повысить точность измерения, упростить тарирование.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения температуры, содержащее стержень, источник питания, измерительную схему, согласно изобретению, снабжено катодом в виде графитового стакана с нанесенным на его внутренней поверхности активным слоем, например BaCO₃, CaCO₃, SrCO₃, размещенного в огнеупорной электроизоляционной трубке, закрепленной в металлическом корпусе, и анодом в виде стержня со сферическим утолщением на конце, обращенным ко дну стакана, установленного на расстоянии 1 2 мм от него и размещенного в огнеупорной электроизоляционной трубке, установленной внутри трубки катода, причем минус источника питания подсоединен к катоду, а плюс к аноду через нагрузку измерительной схемы.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3. На фиг.1 изображена блок-схема конструкции устройства, а на фиг.2,3, представлены графики, полученные по результатам тарирования и практических измерений температуры на установке внепечного вакуумирования жидкой стали.

Устройство содержит стакан 1, выполненный из графита длиной 13 15 мм с наружным и внутренним диаметрами 5,6 и 2,8 мм соответственно. Внутри стакана 1 в области донышка наносят карбонатную суспензию (Ba, Ca, Sr)CO₃ и после сушки дальнейшую обработку ведут в вакуумной установке с одновременным прокаливанием, толщина слоя нанесения суспензии составляет 70 100 мкм. В трубку 3 из алунда с внутренним диаметром 6 мм и длиной 8 10 мм установлен стакан 1 и закреплен настой из окиси алюминия и жидкого стекла, приготовленный в соотношении компонентов 5: 1. Во внутрь стакана 1 введена трубка 4 из алунда диаметром 1,8 2,0 мм и длиной 80 100 мм. В трубку 4 установлен провод в виде стержня 5 из вольфрама или молибдена сечением 0,35 мм² и длиной 1200 1300 мм, одна сторона которого подвергнута обработке с помощью точечной сварки для образования сплавления шарообразной формы диаметром 0,7 0,9 мм, и закрепляют пастой из окиси алюминия и жидкого стекла, при этом расстояние между активным слоем 2 стакана 1 и шарообразной формой стержня 5 составляет 1 2 мм. После просушки при температуре 150 200^oC сборку (стакан 1, трубки 3, 4 вместе со стержнем устанавливают в стальной корпус 6, выполненный из жаропрочной стали марки 18ХН10Т в виде цангового зажима с фланцем и со сквозным отверстием в нем диаметром 2,0 2,2 мм. На наружной поверхности цангового зажима и фланца выполнены резьба М12Х0,75 и М20 соответственно. Корпус 6 через резьбовое соединение фланца соединяют со стальным патрубком 7 длина патрубка 7 800 1100 мм. Провод 5 помещают в керамическую (алундовую) трубку 8, диаметр трубки 8 (2,2 6) мм. В торце патрубка 7 закрепляют винтами 9 М3 разъем 10 типа 2РМД18Г4Б1А Провод 5 соединяют с одним из выводов разъема 10, а другой вывод разъема 10 подсоединяют к патрубку 7. Корпус 6 цангового зажима и участок патрубка 7 (50 70 мм) покрывают огнеупорной массой 11 (сырой огнеупорной глиной) толщина покрытия 10-12 мм, а затем просушивают в течение суток при температуре 450 600^oC. Стабилизированный источник питания 12 имеет выходное напряжение регулируемое от 6 до 60 В. Нагрузка 13 в виде резистора типа МЛТ-0,25-1кОм-10% включена между выводом стержня 5 и положительной клеммой "+" источника питания 12. Измерительный прибор 14 типа самопишущего потенциометра КСП4 подключен к клемме "-" источником питания 12 и нагрузке 13 в соответствии с полярностью выходных клемм прибора 14.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливают на объекте измерения и контроля температуры в горячей зоне закрытого объема. Включают источник питания 12 в сеть напряжением 220 В и частотой 50 Гц одновременно вместе с включением измерительного прибора 14. После включения источника питания 12 внутри стакана 1 создается электростатическое поле, напряженность которого определяется величиной выходного напряжения источникам 12. По мере разогрева поверхности стакана 1 и благодаря его высокой теплопроводности с поверхности активного слоя 2 возникает термоэлектронная эмиссия. Эмитируемые активным слоем 2 электроны через определенное время достигают сферической поверхности стержня 5. Сферическая форма стержня 5 выбрана в ходе экспериментов, позволивших обнаружить неравномерность распределения плоскости электронов в полости стакана 1 и согласующаяся с фактическим распределением температурного градиента на поверхности стакана 1 в радиальном направлении. Положение стержня 5, расположенного вдоль вертикальной оси стакана 1 и находящегося в зоне максимальной плотности электронов, позволяет наиболее точно отражать действительное значение температуры горячей зоны объекта. Степень испускания активным слоем 2 электронов в единицу времени зависит от температуры разогрева поверхности стакана 1, а скорость их движения от напряжения на стержне 5. Таким образом, с началом эмиссии электронов в цепи, состоящей из слоя 2 - стержня 5 провода 6- разъем нагрузка 13 источник питания 14, возникает электрический ток. В результате протекания тока по указанной цепи на нагрузке 18 возникает падение напряжения, величина которого пропорциональна величине тока. Падение напряжения на нагрузке 13 воздействует на вход измерительного прибора 14 и вызывает отклонение стрелки. Угол отклонения стрелки измерительного прибора 14 может служить мерой для оценки температуры, действующей на стакан 1. Огнеупорная масса 11 предохраняет стальной корпус 6 и всю конструкцию устройства от непосредственного действия высокой температуры. Патрубок 7 также выполняет защитную роль, предохраняя провод от действия температуры и механических повреждений и является радиатором для передачи тепла от стакана 1. Трубка 3 защищает стакан 1 от механических повреждений и уменьшает теплопередачу между стаканом 1 и корпусом 6, однако наличие контакта между ними в области фланца корпуса 6 призвано обеспечить электрический контакт. Таким образом, благодаря наличию активного эмиссионного слоя на внутренней поверхности стакана 1 и электрического поля, создаваемого источником питания и стержнем 5, стало возможным производить измерения высоких температур в закрытых объемах с большой точностью и повторяемостью, поскольку выходной сигнал устройства зависит только от температуры.

Тарирование устройства осуществлялось в диапазоне 400 1200^oC по платиновой термопаре, а в диапазоне 1200 1700^oC с помощью вольфрам -рениевой термопары. Результаты тарирования представлены на фиг. 2.

Пример конкретной реализации.

Устройство было установлено на камере циркуляционного вакуумирования жидкого металла. Контроль температуры осуществляли непрерывно в течение всего хода вакуумирования. Показания устройства сравнивались с показаниями вольфрам-рениевой термопары, установленной в той же зоне камеры. Выходные сигналы термопары и устройства фиксировали на диаграмме 3-точечного потенциометра КСП4. Показания устройства были идентичны показаниям термопары, однако более динамичны по реакции на изменение температуры расплава. При многократном использовании устройства для контроля точность показаний не нарушалась. Результаты контроля температуры на камере циркуляционного вакуумирования представлены на фиг.3.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволит получить следующие технико -экономические преимущества:
улучшить точность измерения на 7%
упростить тарирование устройства, исключив снижение температуры расплава на 100% при выборе положения чувствительного элемента над расплавом.

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано, в частности, при измерении и контроле температуры в закрытых вакуумных системах рафинирования жидких расплавов. Технический результат - расширение области применения устройства, упрощение процесса тарирования. Устройство согласно изобретению снабжено катодом в виде графитового стакана с нанесенным на его внутренней поверхности активным слоем, например BaCO₃, CaCO₃, SrCO₃, размещенного в огнеупорной электроизолированной трубке, закрепленной в металлическом корпусе, и анодом в виде стержня со сферическим утолщением на конце, обращенным ко дну стакана, установленного на расстоянии 1 - 2 мм от него и размещенного в огнеупорной электроизолированной трубке, установленной внутри катода, причем минус источника питания подсоединен к катоду, а плюс - к аноду через нагрузку измерительной схемы. 3 ил.

Устройство для высокотемпературных измерений, содержащее стержень, соединенный с измерительной схемой, отличающееся тем, что оно снабжено источником питания, катодом в виде графитового стакана с нанесенным на его внутренней поверхности активным слоем, выполненным из, например, ВаСО₃, СаСО₃, SrСО₃, размещенного в огнеупорной электроизолированной трубке, закрепленной в металлическом корпусе, и анодом в виде стержня со сферическим утолщением на конце, обращенным к дну стакана и установленным на расстоянии 1 2 мм от него, размещенного в огнеупорной электроизолированной трубке, установленной внутри полости стакана, причем минусовая клемма источника питания подсоединена к катоду, а плюсовая к стержню анода через резистор и второму входу измерительной схемы.