ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2008 года по МПК G01K7/02 H01L35/02 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам температуры, технические требования к которым определяют, например, ГОСТ Р8.585-2001 и ГОСТ 6651-94, и может быть использовано для измерения температуры ответственных объектов (например, температуры сред корабельных энергетических установок).

Известен датчик температуры, содержащий чувствительный элемент с выводами (например, в виде термопары или термометра сопротивления), помещенный в защитный чехол из металла или керамики [1]. Выводы чувствительного элемента подключены к узлу соединения с удлиняющими проводами, выполненному в виде клемной колодки, помещенной в металлическую головку, которая скреплена с защитным чехлом.

Недостатком данной конструкции является то, что для проверки метрологических характеристик датчика его необходимо демонтировать с объекта и провести сличение с образцовым датчиком температуры, например по методике ГОСТ 8.388-2002 или ГОСТ 8.461-82, что затруднительно сделать в некоторых случаях эксплуатации, например остановить корабельную энергетическую установку во время длительного рейса и разгрузить ее от избыточного давления.

Кроме того, в некоторых ответственных энергетических установках защитные чехлы датчиков температуры крепятся к корпусу установки сваркой с тщательным контролем сварных швов, что можно сделать только в заводских условиях. Достать для проверки только чувствительный элемент из защитного чехла в процессе эксплуатации тоже не всегда возможно, т.к. для повышения вибростойкости датчика пространство между чехлом и чувствительным элементом плотно засыпается изоляционным материалом (окисью магния или алюминия) и герметизируется специальными компаундами для защиты персонала от прорыва теплоносителя за пределы установки при разрушениях защитного чехла. Кроме того, для повышения быстродействия некоторые конструкции предусматривают жесткое (иногда сварное) соединение чувствительного элемента с дном защитного чехла.

При выходе из строя чувствительного элемента датчика температуры во время длительного рейса теряется контроль за температурой части потока теплоносителя, что ведет к неоптимальным режимам работы энергетической установки и возможным авариям.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату является датчик температуры, состоящий из нескольких чувствительных элементов, помещенных в защитный чехол, выводы чувствительных элементов подключены к узлу соединения с удлиняющими проводами, выполненного в виде переключателя, который скреплен с защитным чехлом [2].

Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности оперативной проверки его в условиях эксплуатации. Хотя несколько чувствительных элементов повышают метрологическую надежность датчика температуры, но при одинаковом воздействии на каждый чувствительный элемент внешних воздействующих факторов (температуры, вибрации, радиации и т.п.) наблюдается одновременный уход их метрологических характеристик. Проверить датчик в процессе эксплуатации, а также демонтировать и оперативно заменить датчик температуры или его чувствительные элементы не всегда возможно по вышеперечисленным причинам.

Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение оперативной проверки метрологических характеристик и работоспособности датчика температуры в процессе эксплуатации без демонтажа его с объекта контроля при одновременном обеспечении возможности эксплуатации датчика температуры при выходе из строя его чувствительных элементов и разрушениях части защитного чехла.

Указанный результат достигается тем, что в датчике температуры, содержащем защитный чехол, где размещены один или несколько чувствительных элементов, выводы которых подключены к узлу соединения с удлинительными проводами, скрепленному с защитным чехлом, согласно изобретению внутренняя полость защитного чехла разделена продольно теплопроводящим материалом на несколько полостей, герметично изолированных друг от друга на длине защитного чехла, и в части из полостей находятся чувствительные элементы с выводами, а в других полостях размещены извлекаемые в процессе эксплуатации датчика температуры индикаторы наличия измеряемой среды, снабженные узлами крепления их в полости, которые установлены со стороны узла соединения с удлинительными проводами датчика температуры, причем хотя бы одна из полостей с индикаторами наличия измеряемой среды расположена концентрично относительно защитного чехла, а узлы крепления индикаторов наличия измеряемой среды и полости выполнены герметичными по отношению к максимальному давлению измеряемой среды.

Наличие хотя бы одной полости, в которой размещен извлекаемый в процессе эксплуатации индикатор наличия контролируемой среды с узлом его крепления в полости, обеспечивает возможность выемки индикатора и установки в данной полости образцового датчика температуры, что позволяет провести поверочную процедуру без демонтажа защитного чехла датчика температуры с объекта контроля.

Выполнение полостей герметично изолированными друг от друга по всей длине защитного чехла и с заданными на максимальное давление измеряемой среды прочностными характеристиками обеспечивает возможность контроля температуры объекта при разрушениях части защитного чехла датчика температуры, так как при этом остаются работоспособными чувствительные элементы, расположенные в других полостях и/или в незаполненных теплоносителем полостях с индикаторами наличия измеряемой среды, в которых после извлечения последних можно установить образцовые датчики температуры из комплекта запасных частей и продолжить эксплуатацию объекта до времени его возможной остановки и ремонта, например до прибытия в порт.

Выполнение узлов крепления индикаторов наличия измеряемой среды герметичными на максимальное давление среды препятствует прорыву агрессивного теплоносителя, например радиоактивной воды, за пределы объекта контроля при разрушении их полостей.

Выполнение полостей из теплопроводящего материала обеспечивает выравнивание температуры по поперечным сечениям внутреннего объема защитного чехла, что делает результаты измерений температуры теплоносителя образцовыми датчиками объективными, более точными и быстрыми.

Исполнение датчика температуры с количеством полостей, в которых размещены индикаторы наличия измеряемой среды с узлом крепления, равной одной, и расположение этой полости концентрично относительно защитного чехла позволяет, кроме минимизации наружного диаметра защитного чехла с целью повышения быстродействия датчика температуры, обеспечить более высокие его метрологические характеристики. Концентричное расположение полости относительно защитного чехла обеспечивает стабильный и известный /по результатам предварительных испытаний/ показатель тепловой инерции датчика температуры с новым чувствительным элементом в виде образцового термометра, установленного в контрольную полость независимо от направления движения теплоносителя, минимальную и стабильную величину погрешности измерения температуры из-за наличия градиента температурного поля по поперечному сечению защитного чехла датчика температуры, также известную по результатам предварительных испытаний. Кроме того, повышается надежность датчика температуры вследствие отсутствия контакта с агрессивным теплоносителем материала полости до момента разрушения защитного чехла и сохранения им функции выполнять роль защитного чехла для образцового датчика температуры еще определенное время.

Наличие в нескольких (хотя бы в одной, концентрично расположенной относительно защитного чехла) полостях датчика температуры индикаторов наличия измеряемой среды позволяет обслуживающему персоналу принять однозначное решение об отсутствии в них теплоносителя и начать их извлечение из полостей для поверочных работ.

Пример выполнения заявляемого датчика температуры приведен на чертежах.

На фиг.1 показан общий вид возможного исполнения предлагаемого датчика температуры для измерения температуры жидкого и электропроводного теплоносителя, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - вид Б фиг.1, на фиг.4 - выноска В фиг.1.

Датчик температуры содержит два чувствительных элемента 1, выполненных, например, в виде медных или платиновых термометров сопротивления (по ГОСТ 6651-94), помещенных в защитный чехол 2. Выводы 3 чувствительных элементов 1, изолированные, например, эмалью, подключены к узлу соединения 4 с удлинительными проводами, выполненному в виде керамической клеммной колодки и скрепленному с защитным чехлом 2, например, посредством резьбы. Внутренняя полость защитного чехла 2 на всей его длине разделена продольно на две полости, например, трубой 5, выполненной из теплопроводящего материала, например стали. Труба 5 расположена концентрично в защитном чехле 2. Один торец трубы 5 герметично приварен к донышку защитного чехла 2 или имеет собственное герметичное дно, а другой торец трубы 5 со стороны узла соединения с удлиняющими проводами 4 выполнен с внутренней резьбой. Пространство между внутренней поверхностью защитного чехла 2 и наружной поверхностью трубы 5, в котором размещены чувствительные элементы 1 и выводы 3, для обеспечения вибростойкости датчика температуры, засыпано порошком 6 из окиси магния или алюминия и герметизировано компаундом 7 со стороны узла соединения 4 с удлиняющими проводами. Эта герметизация предотвращает поступление теплоносителя за пределы датчика температуры при разрушениях рабочей части защитного чехла 2. На наружной поверхности защитного чехла 2 имеется фланец 8 для крепления датчика температуры на объекте контроля, например, сваркой. Во внутренней полости трубы 5 установлен индикатор 9 наличия измеряемой среды, например электропроводящей жидкости, выполненный виде металлического электропроводящего стержня. (Для индикации наличия других сред в трубе 5 это может быть датчик температуры зоны узла соединения с удлинительными проводами, газоанализатор, датчик давления и т.п.) Индикатор 9 наличия измеряемой среды соединен с узлом его крепления 10, выполненного, например в виде резьбовой пробки с шестигранной головкой, через электроизолятор 11, например керамический или стеклянный. Узел крепления 10 вкручен с нормируемым крутящим моментом во внутреннюю резьбовую часть трубы 5 и герметизирован уплотняющей прокладкой 12 таким образом, что выдерживает максимальное расчетное давление измеряемой среды.

Датчик температуры работает следующим образом.

Посредством сварки фланца 8 с объектом контроля (не показан) защитный чехол 2 датчика температуры крепится на объекте контроля, например на трубопроводе высокого давления. К узлу соединения 4 с удлинительными проводами подключаются регистрирующие и регулирующие устройства (не показаны). Получая электрические сигналы от чувствительных элементов 1, судят о температуре объекта контроля и выполняют регулирующие и управляющие действия. Для оперативной проверки метрологических характеристик датчика температуры в процессе эксплуатации освобождают доступ к внутренней полости трубы 5 следующим образом. Измеряя омметром (не показан) сопротивления между индикатором 9 наличия измеряемой среды в виде электропроводящего стержня и трубой 5 или защитным чехлом 2, убеждаются по величине сопротивления в отсутствии в трубе 5 электропроводящего теплоносителя и выкручивают узел крепления 10. Переводят объект контроля (энергетическую установку) в стационарный режим и вводят во внутреннюю полость трубы 5 образцовые датчики температуры (не показаны), например термометры сопротивления по ГОСТ 6651-94. После установления теплового равновесия сравнивают показания образцового датчика температуры и штатных чувствительных элементов. По результатам таких проверок в нескольких стационарных режимах судят о номинальной статической характеристике датчика температуры. При выходе из строя одного или всех штатных чувствительных элементов 1 датчика температуры в процессе эксплуатации и невозможности заменить датчик на объекте контроля без его остановки чувствительный элемент 1 отсоединяется от регистрирующего или регулирующего устройства на узле соединения 4 с удлиняющими проводами. Вместо него подключается образцовый датчик температуры из комплекта ЗИП, который не был в эксплуатации. Образцовый датчик температуры помещается в герметичную полость трубы 5 даже при разрушениях рабочей защитного чехла 2. По показаниям этого датчика, помещенного в трубу 5, контролируют температуру объекта до его возможной остановки.

Источники информации

1. Измерение температур в технике, Справочник под редакцией Ф.Линивега. М..: Металлургия, 1980 с.89, рис.3.33.

2. Там же с.92, рис.3.39 (прототип).

Заявляемый датчик температуры относится к измерительной технике, в частности к датчикам температуры, используемым для измерения температуры ответственных объектов (например, температуры сред энергетических установок). Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является обеспечение оперативной проверки метрологических характеристик без демонтажа с объекта контроля при повышении надежности процесса эксплуатации датчика температуры и повышение работоспособности датчика температуры в процессе эксплуатации. Указанный результат достигается тем, что в датчике температуры, содержащем защитный чехол, где размещены один или несколько чувствительных элементов, выводы которых подключены к узлу соединения с удлинительными проводами, скрепленному с защитным чехлом, в котором внутренняя полость защитного чехла разделена продольно теплопроводящим материалом на несколько полостей, герметично изолированных друг от друга на длине защитного чехла, и в части из полостей находятся чувствительные элементы с выводами. В других полостях размещены извлекаемые в процессе эксплуатации датчика температуры индикаторы наличия измеряемой среды, снабженные узлами крепления их в полости, которые установлены со стороны узла соединения с удлинительными проводами датчика температур. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик температуры, включающий помещенные в защитный чехол один или несколько чувствительных элементов, выводы которых подключены к узлу соединения с удлинительными проводами, который скреплен с защитным чехлом, отличающийся тем, что внутренняя полость защитного чехла разделена продольно теплопроводящим материалом на несколько полостей, герметично изолированных друг от друга по длине защитного чехла, и в части из них находятся чувствительные элементы с выводами, а в других полостях размещены извлекаемые в процессе эксплуатации датчика температуры индикаторы наличия измеряемой среды, снабженные узлами крепления, установленными со стороны узла соединения с удлинительными проводами.2. Датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что одна из полостей с индикаторами наличия измеряемой среды расположена концентрично относительно защитного чехла.3. Датчик температуры по п.1 или 2, отличающийся тем, что узлы крепления индикаторов наличия измеряемой среды и полости выполнены герметичными на максимальное давление измеряемой среды.