СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЛИКВИДУСА КРИОЛИТОВЫХ РАСПЛАВОВ Российский патент 1999 года по МПК G01K7/02 G01K13/00 

Изобретение относится к сенсорному устройству для измерения температуры расплавов, а также к устройству для измерения температуры и способу измерения температуры ликвидуса криолитовых расплавов.

Подобные сенсорные устройства используются, например, для определения температуры ликвидуса расплавов, причем определяют кривую охлаждения заполненного в емкость расплава. По температуре ликвидуса можно получить информацию о составе расплава. Ближайшим уровнем техники является отчет фирмы "U.S. Departament of Energy" от октября 1992, гл. 6. Известное устройство упомянутого выше рода для измерения температуры ликвидуса криолитовых расплавов содержит графитовый тигель для взятия проб, в котором расположен термоэлемент. Графитовый тигель закреплен посредством металлического стержня на держателе. Для взятия проб графитовый тигель погружают в криолитовый расплав и по достижении термического равновесия извлекают из расплава с объемом около 3 см³. После этого регистрируют кривую охлаждения и определяют по ней температуру ликвидуса. Полученные этим измерительным устройством значения температуры ликвидуса имеют колебание в несколько градусов, т.е. очень неточны, так что результаты измерений не могут быть надежно использованы на практике.

Другое устройство для измерения температуры известно из патента США N 3643509. С помощью описанного в нем устройства можно производить измерения ликвидуса в стали. При этом в U-образной кварцевой трубочке внутри емкости из кварца расположен термоэлемент. Емкость расположена обычным образом на вершине измерительной головки и имеет несколько боковых входных отверстий для стального расплава. Это устройство используется после погружения в стальной расплав для измерения температуры ванны, а после извлечения из стального расплава - для измерения температуры ликвидуса. Подобные устройства, правда, непригодны для расплавов, например, с более низкой теплотой плавления и плохой теплопроводностью, таких как криолитовых расплавов.

Задачей настоящего изобретения является создание сенсорного устройства названного выше рода, которое обеспечивает точное измерение температуры ликвидуса криолитовых расплавов и в то же время экономично в изготовлении. Задачей изобретения является также создание устройства для измерения температуры и способа измерений температуры ликвидуса криолитовых расплавов, с помощью которого с высокой точностью можно получить воспроизводимые результаты измерений.

Эта задача решается для описанного выше сенсорного устройства тем, что емкость выполнена из металла. Подобная емкость имеет относительно низкую теплоемкость и высокую теплопроводность, так что емкость может поглощать лишь очень малое количество тепла из криолитового расплава. При этом целесообразно, чтобы емкость имела толщину стенок менее 0,5 мм, в частности менее 0.2 мм, и чтобы в качестве материала емкости использовалась предпочтительно медь.

При погружения холодного устройства в криолитовый расплав он сразу же застывает на его деталях с более низкой температурой, однако по достижении равновесного состояния этот застывший криолит снова расплавляется. Это повторное расплавление происходит в тонкостенной емкости с высокой теплопроводностью быстрее всего, поскольку, во-первых, за счет емкости может поглощаться лишь очень малое количество тепла, а, во-вторых, емкость очень быстро нагревается за счет высокой теплопроводности.

Для точного измерения предпочтительно, чтобы емкость имела гофрированную поверхность. За счет этого увеличивается поверхность застывающего криолитового расплава; застывание происходит после извлечения сенсорного устройства из расплава сначала в зоне этой поверхности, а затем равномерно продолжается внутрь расплава.

Целесообразно, чтобы термоэлемент был расположен в кварцевой трубке, в частности, в закрытой с одного конца кварцевой трубке, имеющей неокисляющийся защитный слой. Подобный термоэлемент устойчив к криолитовому расплаву и может быть выполнен с малым объемом, так что через термоэлемент происходит лишь очень незначительный теплоотвод. Целесообразно выполнить защитный слой из температуростойкого металла или из неокисляющейся керамики, с тем, чтобы повысить стойкость к криолитовому расплаву. Для точного изображения кривой охлаждения предпочтительно, чтобы термоэлемент был расположен приблизительно в центре емкости.

Для обеспечения стабильного манипулирования сенсорным устройством целесообразно, чтобы опора была выполнена из металлических проволок, поскольку они обладают высокой стойкостью к криолитовому расплаву. Кроме того, предпочтительным оказалось то, что по меньшей мере одна опора жестко соединена с вибратором.

Далее может быть целесообразным, чтобы внутренняя поверхность емкости имела шероховатость более 1,25 мкм, предпочтительно 2,5 - 15,0 мкм.

Задача решается для устройства для измерения температуры с сенсорным устройством описанного выше рода тем, что по меньшей мере одна опора на своей обращенной от емкости стороне фиксирована во втулке, и что втулка разъемно соединена с держателем. Однако можно также неразъемно соединить втулку с держателем. Подобное устройство обеспечивает высокую стабильность и простоту манипулирования устройством во время проведения измерений. Целесообразно выполнить втулку в основном из огнеупорного материала, поскольку тогда можно уменьшить длину опоры без разрушения втулки при погружении емкости в расплав за счет поднимающегося из расплава тепла. Держатель может быть выполнен, например, в виде обычного в металлургии копья или картонной трубы.

Предпочтительно, чтобы термоэлемент был фиксирован во втулке и находится в проводящем соединении с ее соединительным элементом, и что соединительный элемент находится в контакте с сигнальными проводами держателя. За счет этого емкость для взятия пробы расплава и термоэлемент объединены в один узел, который может быть извлечен из держателя и заменен после измерения на новый узел. Сигнальные провода, направляющие электрический сигнал термоэлементы к блоку обработки, могут проходить внутри держателя и защищены таким образом от повреждений.

Для реализации однородного застывания расплава предпочтительно, чтобы держатель был жестко соединен с вибратором.

Согласно изобретению, задача для способа измерения температуры ликвидуса криолитовых расплавов решается тем, что во время измерения кривой охлаждения криолитового расплава в емкости, эта емкость вибрирует. За счет этого достигается однородное застывание криолитового расплава, начиная с поверхности емкости. Вибрация криолитового расплава во время охлаждения препятствует возникновению эффекта переохлаждения расплава. Частота вибрации составляет 20-1000 Гц, предпочтительно 150 - 400 Гц, а амплитуда вибрации - 0,01 - 0,5 мм, предпочтительно 0,08 - 0,15 мм.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере его осуществления с помощью чертежа, на котором изображено:
- фиг. 1 - схематично сенсорное устройство;
- фиг. 2, 3 - предпочтительная форма исполнения емкости;
- фиг. 4 - схематично устройство для измерения температуры, включая держатель.

На фиг. 1 изображено сенсорное устройство, у которого в емкости 1 расположен термоэлемент 2. Емкость 1 выполнена из меди и имеет толщину стенки 0,1 мм. Проволоки термоэлемента 2 расположены внутри кварцевой трубочки, закрытой на своем направленном в емкость 1 конце. Кварцевая трубочка имеет покрытие из металла или неокисляющейся керамики, например, TiB₂, TiN или BN. Этот слой может быть нанесен посредством газопламенной металлизации, плазменной металлизации или напыления. Также возможно погруженное покрытие или подобный способ покрытия.

Вращательно-симметричная емкость 1 закреплена на трех, выполненных из металлических проволок опорах 3. Опоры 3 могут быть, например, приварены к емкости 1. В качестве материала опор 3 используется сталь диаметром 1 мм. Емкость 1 подробно изображена на фиг. 2, 3. При этом на фиг. 2 изображен вид сборку емкости 1 с отверстием 4, в котором закреплена одна опора 3. На фиг. 3 изображен вид сверху емкости 1, при этом хорошо видна гофрированная окружная поверхность. Емкость 1 имеет изнутри шероховатость поверхности 2,5 - 15,0 мкм.

Опоры 3 и термоэлемент 2 закреплены посредством цемента 5 во втулке 6 из огнеупорного материала, например кордиерита. Во втулке 6 термопроволоки термоэлемента 2 соединены с контактами соединительного элемента 7. Втулка 6, как изображено на фиг. 4, расположена на конце держателя 8. Там контакты соединительного элемента 7 находятся в проводящем соединении с сигнальными проводами, которые проходят сквозь держатель 8 и могут быть присоединены через копье 9 к подключенной измерительно-обрабатывающей электронике. С держателем 8 и копьем 9 жестко соединен вибратор 10, который при записи кривой охлаждения приводит в колебания емкость 1 с измеряемым криолитовым расплавом.

Частота колебаний может быть выбрана в очень широком диапазоне, однако предпочтительно она составляет 150 - 400 Гц, с тем чтобы избежать эффектом переохлаждения охлаждаемого расплава. Амплитуда колебаний составляет 0,08 - 0,15 мм.

Устройства и способ используются, например, для определения температуры ликвидуса расплавов, причем определяют кривую охлаждения заполняющего емкость расплава. Сенсорное устройство для измерения температуры расплавов содержит емкость и термоэлемент. Емкость имеет по меньшей мере одну опору в форме полосы или проволоки. Емкость также имеет отверстие на своей верхней стороне. Термоэлемент расположен в емкости. Емкость выполнена из металла. Такое выполнение емкости позволяет с высокой точностью получить воспроизводимые результаты измерений. Устройство для измерения температуры выполнено с подобным сенсорным устройством, у которого по меньшей мере одна опора фиксирована на своей обращенной от емкости стороне во втулке. Втулка разъемно соединена с держателем. Такое выполнение устройства обеспечивает высокую стабильность и простоту манипулирования. Способ измерения температуры ликвидуса криолитовых расплавов в емкости заключается в приведении емкости в вибрацию во время измерения кривой охлаждения криолитового расплава. За счет этого достигается однородное застывание криолитового расплава. 3 с. и 17 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Сенсорное устройство для измерения температуры расплавов, содержащее емкость, имеющую по меньшей мере одну опору в форме полосы или проволоки, а на ее верхней стороне - отверстия, расположенный в емкости термоэлемент, отличающееся тем, что емкость (1) выполнена из металла, а по меньшей мере одна опоры жестко соединена с вибратором (10). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость (1) имеет толщину стенок менее 0,5 мм. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что толщина стенок составляет менее 0,2 мм. 4. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что емкость (1) выполнена из меди. 5. Устройство по одному из пп.1 - 4, отличающееся тем, что емкость (1) имеет гофрированную поверхность. 6. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что термоэлемент (2) расположен в трубке из кварцевого стекла, имеющей неокисляющийся защитный слой. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что термоэлемент (2) расположен в закрытой с одного конца трубке из кварцевого стекла. 8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что защитный слой выполнен из температуростойкого металла. 9. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что защитный слой выполнен из неокисляющейся керамики. 10. Устройство по одному из пп.1 - 9, отличающееся тем, что термоэлемент (2) расположен примерно в центре емкости (1). 11. Устройство по одному из пп.1 - 10, отличающееся тем, что опоры (3) выполнены из металлических проволок. 12. Устройство по одному из пп.1 - 10, отличающееся тем, что внутренняя поверхность емкости (1) имеет шероховатость более 1,25 мкм. 13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что внутренняя поверхность емкости (1) имеет шероховатость 2,5 - 15,0 мкм. 14. Устройство для измерения температуры, содержащее сенсорное устройство для измерения температуры расплавов, включающее в себя емкость, имеющую по меньшей мере одну опору в форме полосы или проволоки, а на ее верхней стороне - отверстие, а также расположенный в емкости термоэлемент, отличающееся тем, что емкость выполнена из металла, причем по меньшей мере одна опора (3) зафиксирована на своей обращенной от емкости (1) стороне во втулке (6), при этом втулка (6) соединена с держателем (8). 15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что втулка (6) выполнена из огнеупорного материала. 16. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что термоэлемент (2) фиксирован во втулке (6) и находится в проводящем соединении с соединительным элементом (7) втулки (6), при этом соединительный элемент (7) находится в контакте с сигнальными проводами держателя (8). 17. Устройство по одному из пп.14 - 16, отличающееся тем, что держатель (8) жестко соединен с вибратором (10). 18. Способ измерения температуры ликвидуса криолитовых расплавов в емкости, при котором измеряют кривую охлаждения криолитового расплава, отличающийся тем, что емкость (1) во время измерения кривой охлаждения криолитового расплава приводят в вибрацию. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что частота вибрации составляет 20 - 1000 Гц, преимущественно 150 - 400 Гц. 20. Способ по п. 18 или 19, отличающийся тем, что амплитуда вибрации составляет 0,01 - 0,5 мм, предпочтительно 0,08 - 0,15 мм.