КОАКСИАЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ И ТЕРМОПАРЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ КОАКСИАЛЬНЫХ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1999 года по МПК H01L35/02 H01L35/20 

Изобретение относится к области термопар и, в частности, к коаксиальным термоэлементам и термопарам, изготовленным из коаксиальных термоэлементов.

В технике известно производство термопар, использующих трубчатые металлические оболочки. Соломон в патенте США N 3.973.997 Вагнер в патенте США N 3.980.504 и Нанигьян в патенте США N 4.732.619 предлагают термопару, сформированную между трубчатой металлической оболочкой и внутренней термопарной проволокой. Трубчатая металлическая оболочка и внутренняя проволока электрически подсоединены на одном конце в виде термопарного соединения, в котором металлическая оболочка является одним из элементов термопары, а внутреняя проволока - другим. В качестве альтернативы, которую предложил Гилл в патенте США N 4.512.827, две термопарные проволоки, такие как термические парные проволоки 2 и 4, заключены в общую металлическую оболочку, как показано на фиг. 1. Термопарные проволоки 2 и 4 изолированы друг от друга и от металлической оболочки при помощи порошкового изолирующего материала 8.

В этом виде термопары порошковый изолирующий материал уплотняется в процессе вытягивания с целью уменьшения диаметра термопарной сборки, таким образом, ее изготовление затрудняет устранение материала между термопарными проволоками и внутренними стенками металлической оболочки для того, чтобы сформировать термопарное соединение. Кроме того, термопарные проволоки необходимо выбирать из термопарных сплавов с тем, чтобы компенсировать изменения при их калибровании, которые имеют место в процессе изготовления. Методом для этой операции является метод проб и ошибок. Только после обработки определяется, какое значение термоэлектродвижущей силы (ТЭС), полученной в результате термопарной сборки, будет соответствовать стандартным или нестандартным допускам на погрешности. Мало, что можно сделать после того, как завершено изготовление термопарного кабеля, заключенного в оболочку.

Блэк и др. предлагают в патенте США N 3.463.674 термопару, в которой термопарное соединение сформировано двумя термопарными проволоками, соединенными по всей длине. Термопарное соединение и термопарные проволоки покрыты изолирующим слоем и окружены общей металлической оболочкой. Поблизости от термопарного соединения добавлена вторая металлическая оболочка и диаметр второй металлической оболочки уменьшен при помощи вытягивания или горячей штамповки до диаметра, в значительной степени равного диаметру первой металлической оболочки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является термопара, известная из патента США N 3.449.174, H 01 V 1/02, 1969.

Известная термопара включает коаксиальный термоэлемент, который содержит термопарную проволоку из термоэлектрического металла, выбранного из группы, состоящей из "хромеля", "алюмеля", железа, меди, "константана", платины и сплавов платины и родия, трубчатую металлическую оболочку, окружающую термопарную проволоку по всей ее длине, предохраняющую термопарную проволоку в процессе изготовления и использования, изготовленную из металла, отличного от металла термопарной проволоки, и диэлектрический материал в виде изолирующего керамического порошка, расположенный в металлической оболочке для поддержания термопарной проволоки и для электрической изоляции термопарной проволоки от металлической оболочки по всей ее длине.

Недостатком вышеописанной конструкции термопары является изготовление металлической оболочки из того же металла или сплава, что и коаксиальная термопарная проволока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является коаксиальный термоэлемент, известный из патента Германии N 875574, 1953. Известный коаксиальный термоэлемент содержит термопарную проволоку из термоэлектрического металла, выбранного из группы, состоящей из "хромеля", "алюмеля", железа, меди, "константана", платины и сплава платины и родия, по меньшей мере, одну трубчатую металлическую оболочку, окружающую термопарную проволоку по всей ее длине, предохраняющую термопарную проволоку в процессе изготовления и использования и изготовленную из металла, отличного от металла термопарной проволоки, и диэлектрический материал в виде изолирующего керамического порошка, расположенный в, по меньшей мере, одной металлической оболочке для поддержания термопарной проволоки и для электрической изоляции термопарной проволоки от, по меньшей мере, одной металлической оболочки по всей ее длине.

Вышеописанной конструкции коаксиального термоэлемента присущи те же недостатки, которые были ранее описаны, поскольку оболочка формирует второй термоэлемент полученных термопар с коаксиальной проволокой, являющейся первым термоэлементом. Это ухудшает технологию изготовления термоэлемента, приводит к погрешностям готовых термопар и т.д.

В основу изобретения положена задача создать термопару и коаксиальный термоэлемент такой конструкции, технология изготовления которой позволяла бы коаксиальные термоэлементы вытягивать непрерывно без прокаливания до уменьшения общего диаметра, во много раз большего, чем у термоэлементов, имеющих две термопарные проволоки, как изложено в известном уровне техники; которая приводила бы к уменьшению погрешности в готовых термопарах, за счет того, что коаксиальные термоэлементы можно калибровать по отдельности, обеспечивая согласование отдельных коаксиальных элементов с компенсацией изменений в значениях термоэлектрических постоянных, вызванных последующим вытягиванием, и увеличению надежности за счет того, что концы коаксиальных термоэлементов можно легко очистить путем устранения керамического изолирующего материала между термопарной проволокой и металлической оболочкой на глубину, достаточную для сплавления термопарной проволоки с металлической оболочкой.

Поставленная задача решается тем, что в термопаре, включающей коаксиальный термоэлемент, содержащий термопарную проволоку из термоэлектрического металла, выбранного из группы, состоящей из "хромеля", "алюмеля", железа, меди, "константана", платины и сплавов платины и родия, трубчатую металлическую оболочку, окружающую термопарную проволоку по всей ее длине, предохраняющую термопарную проволоку в процессе изготовления и использования, изготовленную из металла, отличного от металла термопарной проволоки, и изоляционный материал в виде изолирующего керамического порошка, расположенный в металлической оболочке для поддержания термопарной проволоки и для электрической изоляции термопарной проволоки от металлической оболочки по всей ее длине, согласно изобретению, предусмотрен второй коаксиальный термоэлемент, содержащий вторую термопарную проволоку, коаксиально расположенную во второй металлической оболочке по всей ее длине и выбранную из указанной группы термоэлектрических металлов, при этом термоэлектрический металл второй термопарной проволоки отличен от термоэлектрического металла первой термопарной проволоки, вторую трубчатую металлическую оболочку, окружающую вторую термопарную проволоку по всей длине последней, предохраняющую ее в процессе изготовления и использования и изготовленную из металла, имеющего состав такой же, как и состав металла первой металлической оболочки, и изоляционный материал в виде изолирующего керамического порошка, расположенный во второй металлической оболочке для поддержания второй термопарной проволоки и для ее изоляции от второй металлической оболочки по всей длине, и тем, что предусмотрено средство для электрического соединения на одном его конце первой металлической оболочки и первой термопарной проволоки первого термоэлемента и второй термопарной проволоки и второй металлической оболочки второго термоэлемента.

Предпочтительно средство для электрического подсоединения друг к другу концов первого и второго коаксиальных термоэлементов образовать сварной каплей, полученной путем сплавления первой термопарной проволоки и первой металлической оболочки первого коаксиального термоэлемента со второй трубчатой металлической оболочкой и второй термопарной проволокой второго коаксиального термоэлемента, при этом первый и второй коаксиальные термоэлементы могут быть скручены относительно друг друга, примыкая к одному концу. Целесообразно, когда средства для электрического подсоединения содержат первое сплавление сварочной каплей первой металлической оболочки и первой термопарной проволоки первого коаксиального термоэлемента друг с другом;
второе сплавление сварочной каплей второй металлической оболочки и второй термопарной проволоки второго коаксиального термоэлемента друг с другом; и
средства для электрического подсоединения первой и второй металлических оболочек первого и второго коаксиальных термоэлементов в области, примыкающей к первой и второй сварочным каплям.

Рекомендуется первую и вторую металлические, оболочки первого и второго коаксиальных элементов электрически соединить друг с другом на заранее определенных местах по всей своей длине.

Поставленная задача решается также тем, что в коаксиальном термоэлементе, содержащем термопарную проволоку из термоэлектрического металла, выбранного из группы, состоящей из "хромеля", "алюмеля", железа, меди, "константана", платины и сплава платины и родия, по меньшей мере, одну трубчатую металлическую оболочку, окружающую термопарную проволоку по всей ее длине, предохраняющую термопарную проволоку в процессе изготовления и использования и изготовленную из металла, отличного от металла термопарной проволоки, и диэлектрический материал в виде изолирующего керамического порошка, расположенный в, по меньшей мере, одной металлической оболочке для поддержания термопарной проволоки и для электрической изоляции термопарной проволоки от, по меньшей мере, одной металлической оболочки по всей ее длине, согласно изобретению, по меньшей мере, одна трубчатая металлическая оболочка содержит первую металлическую оболочку, имеющую продольный шов, и вторую трубчатую металлическую оболочку, имеющую продольный шов, смещенный от продольного шва первой трубчатой металлической оболочки.

Такое конструктивное выполнение термопары и коаксиального термоэлемента, согласно изобретению, упрощает технологию изготовления, т.к. коаксиальные термоэлементы можно вытягивать непрерывно без прокаливания до уменьшения общего диаметра, во много раз большего, чем у термоэлементов, имеющих две термопарные проволоки, как изложено в известном уровне техники, уменьшает погрешности в готовых термопарах, т. к. коаксиальные термоэлементы можно калибровать по отдельности, обеспечивая согласование отдельных коаксиальных элементов с компенсацией изменений в значениях термоэлектрических постоянных, вызванных последующим вытягиванием, а также повышает надежность их эксплуатации, т.к. концы коаксиальных термоэлементов можно легко очистить путем устранения керамического изолирующего материала между термопарной проволокой и металлической оболочкой на глубину, достаточную для сплавления термопарной проволоки с металлической оболочкой.

Эти и другие преимущества станут более очевидными при чтении подробного описания изобретения совместно с чертежами.

Фиг. 1 - это вид в перспективе термоэлемента известного уровня техники, имеющего две термопарные проволоки в общей оболочке;
фиг 2 - это вид в перспективе коаксиального термоэлемента;
фиг. 3 - это альтернативный вариант коаксиального термоэлемента, имеющего второй слой оболочки;
фиг. 4 - это термопара, изготовленная из двух коаксиальных термоэлементов;
фиг. 5 - это термопара, в которой концы коаксиальных термоэлементов скручены относительно друг друга;
фиг. 6 - это термопара, в которой коаксиальные термоэлементы сварены друг с другом по всей длине;
фиг. 7 - это термопара, в которой концы коаксиальных термоэлементов пространственно разделены;
фиг. 8 - это вид в поперечном сечении конца коаксиального термоэлемента и трепанирующий резец; и
фиг. 9 - это альтернативный вариант трепанирующего резца.

На фиг. 2 показано устройство коаксиального термоэлемента 10. Коаксиальный термоэлемент 10 содержит центральную термопарную проволоку 12, окруженную изолирующим материалом 14 и расположенную внутри металлического кожуха и трубчатой металлической оболочки 16. Термопарную проволоку 12 можно выбрать из любых металлов или сплавов, используемых в термопарной технике, и она может иметь либо положительные, отрицательные, либо нейтральные термоэлектрические характеристики. Например, термопарную проволоку 12 можно сделать из платины, из сплава родия и платины, "хромеля", "алюмеля", меди, железа, константана или любого другого металла или сплава, которые используются для изготовления термопар. Изолирующий материал 14 представляет собой предпочтительно керамический порошок такой, как порошок окиси магния. Внешний кожух или оболочку 16 можно сделать из любого металла или сплава, широко используемого в производстве сварных труб непрерывным способом, которые имеют хорошие рабочие и растяжные свойства.

Коаксиальный термоэлемент 10 изготовлен при использовании процессов формирования стандартной трубы такой, какую предложил Гилл в патенте США N 4.512.827. При вытягивании коаксиального термоэлемента 10, только одна термопарная проволока 12 содержится в постоянно формируемой трубчатой металлической оболочке или кожухе 16. Гилл также предлагает добавление в виде изолирующего керамического порошка в металлической оболочке 16 в течение процесса его изготовления.

Хотя трубчатый коаксиальный термоэлемент, показанный на фиг. 2, содержит только одну металлическую оболочку 16, металлический кожух или оболочка может содержать две или более металлических оболочек, расположенных вокруг металлической оболочки 16, таких как вторая оболочка 18, как показано на фиг. 3.

В варианте, показанном на фиг. 3, шов 20, такой как сварочный или паянный твердым припоем шов второй металлической оболочки 18, смещен, и предпочтительно диаметрально напротив, относительно шва 22 первой оболочки 16. Дополнительный слой или слои материала оболочки препятствуют потере изолирующего материала, если шов случайно или по невнимательности порвется во время последующего процесса вытягивания или при изгибе готового изделия.

Преимущество коаксиального элемента 10 заключается в том, что его можно вытягивать непрерывно без прокаливания до уменьшения в размере от первоначального диаметра во много раз больше, чем у получаемых в настоящее время размеров диаметров, когда две термопарные проволоки размещены внутри общей металлической оболочки, как в случае известного уровня техники.

Одна из проблем, касающаяся известного уровня техники, заключается в том, что термоэлектрические постоянные термопарных проволок изменяются при вытягивании до меньшего диаметра. При этом термоэлектродвижущая сила (ТЭС), генерируемая термопарным соединением металла или сплава с металлическим свинцом (Pb) дана уровнением
TЭCт = Aθ²+Bθ²,
где θ - температура, а A и B - постоянные. Металлический свинец используется в качестве стандарта, а его установленные значения термоэлектрических постоянных A и B равны 0. В результате, значение образованной термоэлектродвижущей силы, вырабатываемой термопарами в случае, когда обе термопарные проволоки расположены в общей оболочке, можно изменить не только от партии к партии, но также можно изменить внутри общей партии. Обладая этими результатами, пользователь может заранее заказывать откалиброванные термопары, имеющие аналогичные характеристики термоэлектродвижущей силы для испорченной термопары или заново откалиброванной системы с тем, чтобы согласовать характеристики термоэлектродвижущей силы новой термопары.

Преимущество коаксиальных термоэлементов 10 заключается в том, что характеристики термоэлектродвижущей силы отдельных коаксиальных элементов можно подбирать пользователем для обеспечения требуемых термоэлектродвижущих характеристик.

Термопара 24 изготовлена при помощи подсоединения концов двух коаксиальных термоэлементов 10 и 10', как показано на фиг.4. Металлические оболочки 16 и 16' термоэлементов 10 и 10' изготовлены из одинакового металла и не дают вклада в электродвижущую силу, генерируемую полученной в результате термопары 24. Концы двух коаксиальных термоэлементов 10 и 10' сплавлены, так же как и при сварке для того, чтобы сформировать термопарное соединение в виде сварной капли или колпачка 26, соединяющего друг с другом металлические оболочки 16 и 16', кроме того соединяя термопарные проволоки 12 и 12' друг с другом.

Как показано на фиг. 5, коаксиальные термоэлементы 10 и 10', формирующие термопару 28, можно скручивать вместе, обеспечивая дополнительное механической усилие на их концах, примыкающих к сварной капле 26. Более того, как показано на фиг. 6, металлические оболочки 12 и 12' коаксиальных термоэлементов 10 и 10', соответственно, можно сварить либо электрически соединить друг с другом по всей их длине, как показано, при помощи сварки 30.

Фиг. 7 показывает альтернативный вариант термопары 32, в которой концы отдельных коаксиальных термоэлементов 10 и 10' отделены друг от друга. Концы отдельных коаксиальных термоэлементов 10 и 10' заварены при помощи сварки, отдельно друг от друга, в виде сварных капель 34 и 34' соответственно. Металлические оболочки коаксиального термоэлемента 10 и 10' электрически подсоединены друг к другу в области, примыкающей к сварным каплям 34 и 34', где будет такая же температура, как и на концах отдельных коаксиальных термоэлементов 10 и 10'.

Коаксиальные термоэлементы являются удобными для потребителя и позволяют потребителю делать свои собственные термопары. Как показано на фиг. 8, процесс трепанирования по устранению керамического материала между внутренней поверхностью трубчатой металлической оболочки и элементом термопарной проволоки на желаемую глубину можно выполнить простым трепанирующим резцом 36. Трепанирующий резец 36 имеет сквозное отверстие 38 с диаметром, незначительно большим диаметра термопарной проволоки 12, и снабжен круглым резцом 40 на концевой части круглого вала 42. Глубина, на которую трепанирующий резец 36 устраняет изолирующий материал 14 между аксиально расположенной термопарной проволокой 12 и внутренней поверхностью металлической оболочки 16, определяется длиной части вала 42. Круглая ступень вала 44 цепляется за край трубчатой металлической оболочки 16, когда трепанирующий резец 36 устраняет изолирующий материал 14 между термопарной проволокой 12 и трубчатой металлической оболочкой 16 на глубину, достаточную для формирования хорошей капли 26 на конце коаксиального термоэлемента 10. Трепанирующий резец 36 имеет накатку на выступе 46, которая позволяет трепанирующий резец 36 вращать вручную.

В качестве альтернативы трепанирующий резец 36 может иметь хвостовик 48, такой как показан на фиг. 9, при помощи которого трепанирующий резец можно устанавливать в соответствующий вращающийся инструмент, например в мощную отвертку или дрель. Способность конечного потребителя легко устранять необходимое количество изолирующего материала из конечной части коаксиального термоэлемента для обеспечения формирования сварочной капли, сплавляющей термопарный провод 12 с трубчатой металлической оболочкой 16 или с другим термоэлектрическом элементом, имеющими различные термоэлектрические постоянные, во много раз повышает приспособляемость коаксиальных термоэлектрических элементов.

В результате, относительно неквалифицированные сварщики могут повторно делать сварочные капли на конечной части коаксиального термоэлемента 10, электрически соединяющего коаксиальную термопарную проволоку 12 с оболочкой 16. Обе проволоки, в конструкции с одной оболочкой, касающейся известного уровня техники, требуют большей степени мастерства и трудностей, которые часто встречаются при эффективном устранении изолирующего материала 14 между оболочкой и двумя соседними термопарными проволоками 6 из-за их некруглой конфигурации.

Более низкая стоимость коаксиальных термоэлементов и облегчение сварки ведет к более высокому качеству термопарного изделия по конкурентоспособной цене, чем в изделиях, использующих стеклянную или керамическую трубку, изолирующую термопарные провода. После того, как термопарная проволока 12 коаксиального термоэлемента защищена от окисления и других видов коррозии при помощи трубчатой металлической оболочки 16, гарантируется повышение стабильности и увеличение срока эксплуатации.

Показав предпочтительный вариант изобретения, который подробно описан с соответствующими рисунками, видно, что те, кто имеет опыт в этой области техники, смогут провести определенные изменения и улучшения в пределах прилагаемой формулы изобретения.

Коаксиальный термоэлемент, имеющий термопарную проволоку, коаксиально расположен в трубчатой металлической оболочке. Электрически изолирующий керамический порошок расположен в трубчатой металлической оболочке для того, чтобы изолировать термопарный провод от трубчатой металлической оболочки. Трубчатая металлическая оболочка содержит первую металлическую оболочку, имеющую продольный шов, и вторую трубчатую металлическую оболочку, имеющую продольный шов, смещенный от продольного шва первой трубчатой металлической оболочки. Термопара сформирована при помощи сварки термопарной проволоки со своей металлической оболочкой в каждом из двух коаксиальных термоэлементов и при помощи соединения сваренных концов двух коаксиальных термоэлементов в виде термопарного соединения. Более низкая стоимость термоэлементов и облегчение сварки приводит к более высокому качеству термопарного изделия. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Термопара, включающая коаксиальный термоэлемент, содержащий термопарную проволоку из термоэлектрического металла, выбранного из группы, состоящей из "хромеля", "алюмеля", железа, меди, "константана", платины и сплавов платины и родия, трубчатую металлическую оболочку, окружающую термопарную проволоку по всей ее длине, предохраняющую термопарную проволоку в процессе изготовления и использования, изготовленную из металла, отличного от металла термопарной проволоки, и изоляционный материал в виде изолирующего керамического порошка, расположенный в металлической оболочке для поддержания термопарной проволоки и для электрической изоляции термопарной проволоки от металлической оболочки по всей ее длине, отличающаяся тем, что предусмотрен второй коаксиальный термоэлемент, содержащий вторую термопарную проволоку, коаксиально расположенную во второй металлической оболочке по всей ее длине и выбранную из указанной группы термоэлектрических металлов, при этом термоэлектрический металл второй термопарной проволоки отличен от термоэлектрического металла первой термопарной проволоки, вторую трубчатую металлическую оболочку, окружающую вторую термопарную проволоку по всей длине последней, предохраняющую ее в процессе изготовления и использования и изготовленную из металла, имеющего состав такой же, как и состав металла первой металлической оболочки, и изоляционный материал в виде изолирующего керамического порошка, расположенный во второй металлической оболочке для поддержания второй термопарной проволоки и для ее изоляции от второй металлической оболочки по всей длине, и тем, что предусмотрено средство для электрического соединения на одном его конце первой металлической оболочки и первой термопарной проволоки первого термоэлемента и второй термопарной проволоки и второй металлической оболочки второго термоэлемента. 2. Термопара по п.1, отличающаяся тем, что средство для электрического подсоединения друг к другу концов первого и второго коаксиальных термоэлементов образовано сварной каплей, полученной путем сплавления первой термопарной проволоки и первой металлической оболочки первого коаксиального термоэлемента со второй трубчатой металлической оболочкой и второй термопарной проволокой второго коаксиального термоэлемента. 3. Термопара по п.2, отличающаяся тем, что первый и второй коаксиальные термоэлементы скручены относительно друг друга, примыкая к одному концу. 4. Термопара по п.1, отличающаяся тем, что средства для электрического подсоединения содержат первое сплавление сварочной каплей первой металлической оболочки и первой термопарной проволоки первого коаксиального термоэлемента друг с другом, второе сплавление сварочной каплей второй металлической оболочки и второй термопарной проволоки второго коаксиального термоэлемента друг с другом и средства для электрического подсоединения первой и второй металлических оболочек первого и второго коаксиальных термоэлементов в области, примыкающей к первой и второй сварочным каплям. 5. Термопара по п.4, отличающаяся тем, что первая и вторая металлические оболочки первого и второго коаксиальных элементов электрически соединены друг с другом на заранее определенных местах по всей своей длине. 6. Коаксиальный термоэлемент, содержащий термопарную проволоку из термоэлектрического металла, выбранного из группы, состоящей из "хромеля", "алюмеля", железа, меди, "константана", платины и сплава платины и родия, по меньшей мере, одну трубчатую металлическую оболочку, окружающую термопарную проволоку по всей ее длине, предохраняющую термопарную проволоку в процессе изготовления и использования и изготовленную из металла, отличного от металла термопарной проволоки, и диэлектрический материал в виде изолирующего керамического порошка, расположенный в, по меньшей мере, одной металлической оболочке для поддержания термопарной проволоки и для электрической изоляции термопарной проволоки от, по меньшей мере, одной металлической оболочки по всей ее длине, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна трубчатая металлическая оболочка содержит первую металлическую оболочку, имеющую продольный шов, и вторую трубчатую металлическую оболочку, имеющую продольный шов, смещенный от продольного шва первой трубчатой металлической оболочки.