ТЕРМОМЕТР Российский патент 1999 года по МПК G01J5/00 G01K7/30 

Изобретение относится к области измерения температур и может быть использовано для многократного, высокоточного измерения температуры расплавленного металла, например, в сталеплавильном производстве.

Известно устройство для измерения температуры расплавленных металлов, состоящее из термоэлектрического преобразователя в виде специальной арматуры (железа) со сменной погружной измерительной головкой и измерительной системы, например, автоматического потенциометра [Ф.Линевег "Измерение температуры в технике", справочник, М., "Металлургия", 1980, с. 317, 318]. Измерительная головка, размещенная в керамическом корпусе, содержит термопару, которая находится в U-образном защитном чехле из кварцевой трубки. В качестве тепловой защиты используется многослойный картонный чехол, который в процессе замера температуры частично сгорает.

Основным недостатком известного устройства является невозможность длительного непрерывного измерения температуры расплавленного металла с высокой точностью. Кроме того, после каждого замера необходимо заменять измерительную головку, что значительно увеличивает стоимость измерений.

Известно, что для измерения высоких температур используются шумовые термометры, обладающие высокой точностью, т.к. позволяют измерять термодинамическую температуру среды. При этом датчик шумового термометра - первичный измерительный преобразователь должен обеспечивать достаточное с точки зрения возможности измерения полезного шумового сигнала значения электрического сопротивления (ReZ) термочувствительного элемента при минимальных его геометрических размерах и температурном коэффициенте; хорошее экранирование термочувствительного элемента от внешних электромагнитных полей; механическую прочность датчика при высокой температуре; малое сопротивление подводящих проводов по сравнению с термочувствительного элемента и по возможности однородность их материала. [А.В.Саватеев "Шумовая термометрия", Л., Энергоатомиздат, 1987 г., с. 68, 69].

Перечисленным выше требованиям удовлетворяет известный шумовой термомерт, выбранный в качестве прототипа, содержащий последовательно соединенные датчик в виде графитового волновода, замкнутого на запирающее сопротивление, равное волновому, и приемник радиосигнала [А.В.Саватеев "Шумовая термометрия", Л., Энергоатомиздат, 1987 г., с. 69].

Источником теплового шума, мощность которого пропорциональна измеряемой температуре, в этом термометре является волновое сопротивление волновода, которое определяется только его геометрическими размерами и не зависит от электрических свойств его материала. Использование волновода в качестве датчика обусловило работу шумового термометра в СВЧ-диапазоне со всеми присущими СВЧ-технике особенностями.

Известный шумовой термометр практически невозможно использовать в реальных промышленных условиях, т.е. при рассеянии между датчиками и приемником радиосигнала в несколько метров, широком диапазоне изменения измеряемой температуры и наличии значительного градиента температуры по длине волновода сильно увеличивается погрешность рассогласования датчика и входа приемника радиосигнала.

Кроме того, известный шумовой термометр невозможно использовать для измерения температуры расплавленного металла, т.к. при контакте с ним графит начинает достаточно быстро выгорать, геометрические размеры волновода изменяются вплоть до полного его разрушения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание термометра для непрерывного измерения с высокой точностью температуры расплавленного металла.

Ожидаемый технический результат заключается в обеспечении многократных непрерывных измерений температуры расплавленного металла.

Для этого в шумовой термометр, содержащий последовательно соединенные датчик и переходной волновод, а также приемник радиосигнала, введены последовательно соединенные циркулятор, первый вентиль, тройник, причем первый вход циркулятора соединен с переходным волноводом, первый выход тройника соединен со входом приемника радиосигнала, второй выход тройника через второй вентиль соединен со вторым входом циркулятора, а датчик выполнен в виде антенны и размещенного вокруг нее обтекателя из керамики на основе нитрида бора.

Кроме того, в шумовом термометре обтекатель может быть выполнен из керамики на основе нитрида бора, которая содержит нитрид бора и карбид кремния при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Нитрид бора - 90 - 34
Карбид кремния - Остальное.

Выполнение датчика в виде антенны и керамического обтекателя, размещенного вокруг нее, удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к датчику шумового термометра, и позволяет многократно измерять температуру расплавленного металла контактным методом, т.к. керамический обтекатель из нитрида бора является одновременно согласованной нагрузкой для антенны и радиопоглощающей теплозащитой.

Керамика на основе нитрида бора обладает высокой теплопроводностью, несмачиваемостью металлом и шлаками, отсутствием химического взаимодействия с расплавленным металлом и шлаками в диапазоне температур от 2500^oC. Кроме того, обтекатель экранирует антенну от внешних электромагнитных полей.

Применение керамики на основе нитрида бора, содержащей 90-94% нитрида бора, а остальное карбид кремния позволяет получить материал с оптимальным соотношением электрофизических характеристик и механической прочности. Введение большего количества карбида кремния хотя и повышает его механическую прочность, но приводит к существенному ухудшению электрофизических характеристик керамики. Уменьшение количества карбида кремния менее 6% не позволяет получить керамику с достаточно высокой механической прочностью.

Мощность микроволнового шумового сигнала (P_ш), излучаемого обтекателем, однозначно связана с термодинамической температурой расплавленного металла (T_р) выражением
P_ш = kΔf(1-R²)T, (1)
где k - постоянная Больцмана;
Δf - полоса пропускания приемника радиосигнала;
R - коэффициент отражения от входа антенны.

Отсюда измеряемая температура равна

Шумовой сигнал P_ш принимается антенной и через переходной волновод поступает на циркулятор, первый вентиль и тройник, где делится в n раз. Одна часть шумового сигнала поступает на вход приемника радиосигнала, а другая через второй вентиль и циркулятор - на антенну, где излучается и попадает на границу высокотемпературной отражающей среды, от которой отражается пропорционально коэффициенту R₂ и вновь принимается антенной. Далее сигнал многократно повторит пройденный путь, каждый раз суммируясь на входе широкополосного приемника радиосигнала. Математически это запишется в следующем виде:
P_шi1 = P_ш/n;(3)
P_шi2 = (P_ш/n) R²(n-1)/n;(4)
P_шi3 = (P_ш/n) R²[(n-1)/n] R²(n-1)/n (5)
Σ P_шi = (P_ш/n)(1+R²(n-1)/n+R⁴[(n-1)/n]²+...) = (P_ш/n)[1-R²(n-1)/n]; (6)
(7)
где P_шi1 - мощность шумового сигнала на входе приемника радиосигнала при первом прохождении сигнала;
P_шi2 - мощность шумового сигнала на входе приемника радиосигнала при втором прохождении сигнала;
P_шi3 - мощность шумового сигнала на входе приемника радиосигнала при третьем прохождении сигнала;
ΣP_шi - мощность шумового сигнала, излучаемая обтекателем и принимаемая антенной;
n - коэффициент деления мощности шумового сигнала в тройнике;
R - коэффициент отражения от входа антенны;
T_р - измеряемая температура расплавленного металла;
T_A - измеряемая температура, приведенная к входу приемника радиосигнала.

Из выражения (1), (2) видно, что пропорциональная зависимость между мощностью шумового сигнала P_ш и измеряемой температурой T_р будет сохраняться только в том случае, если сомножитель (1-R²) постоянен и не зависит от температуры, что в реальных условиях не выполняется.

Из выражения (7) видно, что при достаточно больших значениях коэффициента деления мощности шумового сигнала n температура, приведенная ко входу приемника радиосигнала T_A, не зависит от коэффициента отражения от входа антенны R.

На фиг. 1 представлена функциональная схема шумового термометра.

На фиг. 2 представлен чертеж зонда, в котором размещены датчик и переходной волновод.

Шумовой термометр содержит антенну 1, обтекатель 2 и переходной волновод 3, конструктивно размещенные в корпусе зонда 4. Зонд покрыт теплозащитой 5. Переходной волновод 3 соединен через циркулятор 6, первый вентиль 7, второй вентиль 8 и тройник 9 с приемником радиосигнала 10. В качестве приемника радиосигнала может быть использовано устройство, приведенное в книге Башаринов А.И. и др. "Радиоизлучение Земли как планеты", М., Наука, 1974.

Антенна 1 конструктивно может быть выполнена в виде круглого коаксиального или волноводного излучателя. Весь зонд 4 защищен теплозащитой 5, выполненной из высокотемпературного материала, например из углеродистых нитей или керамики на основе нитрида бора. Зонд 4 непосредственно опускается в расплавленный металл.

Кроме того, антенна 1 с керамическим обтекателем 2 могут быть расположены внутри футеровки конвертора (на рисунке не показано). При этом сигнал с выхода антенны 1 выводится наружу через гермопереход, установленный в броне конвертора.

Обтекатель 2 выполнен из керамики на основе реакционноспеченного нитрида бора, обладающей высокой теплопроводностью, несмачиваемостью металлом и шлаками, отсутствием химического взаимодействия с расплавленным металлом и шлаками в диапазоне температур до 2500^oC.

Керамика из нитрида бора с добавлением карбида кремния обладает более низкой пористостью, более высокой прочностью и большей химической стойкостью, чем реакционноспеченный нитрид бора, и, кроме того, возможно изготовление керамики с заранее заданным уровнем диэлектрической проницаемости и тангенсом угла диэлектрических потерь. Эта керамика в системе BN-SiC и BN-Si₃N₄, SiO₂ обладает наибольшей высокотемпературной прочностью и химической стабильностью. Керамика в системе BN-SiC с содержанием BN 90-94% и SiC 6-10% обладает следующими свойствами:
P_u32 ≈ 70-100 МПа при t = 20^oC;
P_u32 ≈ 130 МПа при t = 1300^oC;
электросопротивление ≈ 10¹³ - 10¹⁴ Ом•см.

Технология получения керамики сравнительно проста и включает операции изготовления матрица из пористого реакционноспеченного нитрида бора, пропитку ее кремнийорганическими соединениями, сушку и пиролиз. Распределение продуктов пиролиза в порах керамики таково, что образовавшаяся пленка углерода не только упрощает, но и защищает нитрид бора от химического воздействия.

Испытания в виде плавки ферросплавов в тиглях из керамики BN-SiC показали полную несмачиваемость материала сплавами железа и неорганическую стойкость в инертной атмосфере до температуры 1600^oC.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы проводится калибровка приемника радиосигнала 10. Затем после нагружения зонда 4 в расплавленный металл и периодически в процессе работы проводится калибровка антенны 1, всего тракта передачи сигнала и приемника радиосигнала 10. Это позволяет учесть собственную погрешность устройства и считать сигнал на выходе приемника радиосигнала 10 пропорциональным измеряемой температуре T_р.

При погружении в расплавленный металл обтекатель 2 излучает шумовой сигнал P_ш, принимаемый антенной 1. Сигнал, принятый антенной 1, поступает через переходной волновод 3, циркулятор 6, первый вентиль 7 на тройник 9, где делится в n раз. Одна часть шумового сигнала поступает на вход приемника радиосигнала 10, а другая через второй вентиль 8 и циркулятор 6 на антенну 1, где излучается и попадает на границу высокотемпературной отражающей среды, от которой отражается пропорционально коэффициенту R², и вновь принимается антенной 1.

Время измерения температуры значительно больше времени прохождения сигнала по измерительному тракту (в несколько десятков раз), поэтому на входе приемника радиосигнала 10 сигнал после многократного повторения пройденного пути суммируется. На выходе приемника радиосигнала 10 получается сигнал, пропорциональный измеряемой температуре расплавленного металла и не зависящий от температуры нестабильности коэффициента отражения от антенны.

Изобретение относится к области измерения температур и может быть использовано для многократного высокоточного измерения температуры расплавляемого металла, например, в сталеплавильном производстве. Шумовой термометр содержит датчик, переходной волновод, циркулятор, первый вентиль, тройник, последовательно соединенные. Также термометр содержит приемник радиосигнала и второй вентиль. Первый вход циркулятора соединен с переходным волноводом, первый выход тройника - с входом приемника радиосигнала, второй выход тройника через второй вентиль - с вторым входом циркулятора. Датчик выполнен в виде антенны и размещенного вокруг нее обтекателя из керамики на основе нитрида бора. Такое выполнение термометра позволяет непрерывно и с высокой точностью измерять температуру расплавленного металла. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Шумовой термометр, содержащий датчик и переходной волновод, соединенные последовательно, а также приемник радиосигнала, отличающийся тем, что в него введены циркулятор, первый и второй вентили и тройник, причем, циркулятор, первый вентиль и тройник соединены последовательно, первый вход циркулятора соединен с переходным волноводом, первый выход тройника - с входом приемника радиосигнала, второй выход тройника через второй вентиль - с вторым входом циркулятора, а датчик выполнен в виде антенны и размещенного вокруг нее обтекателя из керамики на основе нитрида бора. 2. Термометр по п.1, отличающийся тем, что обтекатель выполнен из керамики на основе нитрида бора, которая содержит нитрид бора и карбид кремния при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Нитрид бора - 90 - 94
Карбид кремния - Остальное