ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2013 года по МПК G01K7/12 

Изобретение относится к термопреобразователям, выполненным по типу термопарного кабеля и могут быть использованы в системах контроля и фиксации температуры в пределах от -40°С до +400°C при измерении температуры проходящих газовых потоков при испытаниях и эксплуатации газотурбинных двигателей.

Известен датчик температуры, который содержит корпус, выполненный в виде гильзы, внутри которого расположены термоэлектроды термопарного кабеля с малым диаметром жил, имеющего два одинаковых рабочих спая. Корпус со стороны расположения спая имеет заглушку для герметизации спая, а с противоположной стороны фланец для крепления датчика на объекте и головку, выполненную в виде цилиндра с крышкой заполненного электроизоляционным материалом, в качестве которого использован периклаз (окись магния). Цилиндр в сборе с крышкой выполнен ступенчатым с переходом большого диаметра цилиндра соединенного с фланцем в малый диаметр цилиндра, в котором вдоль продольной оси расположен термопарный кабель большого диаметра жил с термоэлектродами термопарного кабеля с малым диаметром жил соединенные с помощью сварки с соответствующими термоэлектродами термопарного кабеля большого диаметра жил. Термопарный кабель соединен с крышкой с помощью пайки, а цилиндр соединен с крышкой, образуя ступенчатый цилиндр, с помощью сварки. Датчик температуры имеет две обжимные втулки одна из которых расположена за соединительной втулкой, а другая - в месте крепления выхода термоэлектродов для подключения их к вторичной аппаратуре. Между обжимными втулками термопарный кабель большего диаметра жил заключен в металлическую оплетку. Конец корпуса со стороны спая снабжен колпачком со сквозными отверстиями по наружному диаметру. См. описание к полезной модели RU №65221 от 27.03.2007. Опубл. от 27.07.2007. Недостатками указанного датчика являются наличие сварных соединений термоэлектродов кабелей различного диаметра в головке датчика, и требует дополнительной механической защиты сварных соединений термоцементным электроизоляционным материалом, что снижает надежность и механическую прочность. У рассматриваемого датчика низкая надежность соединения с оболочкой измеряемого объекта.

Известен, принятый за прототип, датчик температуры, который содержит корпус, выполненный в виде гильзы, внутри которого расположены термоэлектроды термопарного кабеля с малым диаметром жил, имеющего два одинаковых рабочих спая. Корпус со стороны расположения спая имеет заглушку для герметизации спая, а с противоположной стороны фланец для крепления датчика на объекте и головку, выполненную в виде цилиндра с крышкой заполненного электроизоляционным материалом, в качестве которого использован периклаз (окись магния). Цилиндр в сборе с крышкой выполнен ступенчатым с переходом большого диаметра цилиндра соединенного с фланцем в малый диаметр цилиндра, в котором вдоль продольной оси расположен термопарный кабель большого диаметра жил с термоэлектродами термопарного кабеля с малым диаметром жил соединенные с помощью сварки с соответствующими термоэлектродами термопарного кабеля большого диаметра жил. Термопарный кабель соединен с крышкой с помощью пайки, а цилиндр соединен с крышкой, образуя ступенчатый цилиндр, с помощью сварки. Конец корпуса со стороны спая снабжен колпачком со сквозными отверстиями по наружному диаметру. При этом он снабжен цилиндрической втулкой, внутри которой расположен корпус с термопарным кабелем с малым диаметром жил, соединенной с корпусом и фланцем с помощью сварки, а головка выполнена в виде воронки, широкая часть которой приварена к фланцу, при этом кабель большого диаметра жил выполнен постепенно сужающимся от узкой части головки до величины малого диаметра жил термопарного кабеля в рабочем спае. См. описание к полезной модели RU №84549 от 06.03.2009. Опубл. от 10.07.2009. Данный датчик позволяет повысить точность измерения и надежность работы, увеличить срок службы, а также уменьшить массово-габаритные характеристики. Однако у рассматриваемого датчика остаются те же недостатки, что приводит к низкой надежности и механической прочности. Датчик сложен в конструктивном и технологическом изготовлении и требует проверки большого количества соединений с контролем надежности этих соединений и герметичности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения и регистрации температуры измеряемой среды, повышение надежности работы датчика температуры, а также увеличение срока его службы, сокращение сроков изготовления и сборки при повышении взрывобезопасности.

Ожидаемый технический результат заключается в снижении комплектующих и массогабаритных характеристик, а также сокращение сроков изготовления и сборки. Увеличение надежности.

Это достигается тем, что датчик температуры, содержащий корпус с наружной поверхностью переменного сечения со ступенчатым выступом, переходящим в цилиндрическую часть, внутри которого вдоль продольной оси корпуса расположены термоэлектроды термопарного кабеля с образованным на конце рабочим спаем внутри охранной зоны с элементами его крепления к объекту измерения и фиксации кабеля на наружной части, при этом фиксация термопарного кабеля внутри корпуса обеспечена засыпкой, а на выходе термопарного кабеля из корпуса он снабжен резиновой трубкой в металлической оплетке, имеет корпус датчика, который выполнен единой, цельной конструкцией, включающей охранную зону и наружную часть со ступенчатым сквозным отверстием с узлами герметизации термопарного кабеля, пространство между которыми заполнено уплотнительной засыпкой, при этом узел герметизации на выходе термопарного кабеля из корпуса выполнен в виде цилиндрической заглушки с двумя глухими отверстиями под установку неразъемным соединением двух концов проволок, которые расположены с двух диаметрально противоположных сторон термопарного кабеля, проходящего в отверстие заглушки и прижаты к нему трубкой и все вместе находятся в металлической оплетке, составляя кабель для подключения его к аппаратуре для съема показаний, при этом конец металлической оплетки со стороны корпуса развальцован и неразъемно соединен с шайбой, которая прижата упорной гайкой к торцу корпуса датчика, который крепится ступенчатым выступом к объекту измерения при помощи накидной гайки, при этом термопарный кабель состоит из оболочки, внутри которой расположены термоэлектроды, которые, начиная от спая, изолированы друг от друга и от оболочки и расходятся от спая на две параллельные линии, а пространство внутри оболочки и между термоэлектродами заполнено минеральной изоляцией, при этом спай расположен между защемленными концами торца оболочки и имеет сварной шов, включающий спай.

На фиг.1 представлен общий вид датчика температуры в разрезе.

На фиг.2 - сечение А-А.

На фиг.3 представлен общий вид спая (увеличено).

Датчик температуры состоит из корпуса 1 со ступенчатым сквозным отверстием, внутри которого вдоль продольной оси расположен термопарный кабель 2 с выступающим рабочем спаем 3 на длину, равную не более L₁ от узла герметизации 4 с одной стороны, а с другой стороны расположена заглушка 5 с узлом герметизации 6. При этом заглушка 5 имеет отверстие вдоль продольной оси для прохождения термопарного кабеля 2, а между узлами герметизации 4 и 6 внутреннее пространство корпуса 1 заполнено уплотнительной засыпкой 7. На корпус 1 со стороны заглушки 5 установлена накидная гайка 8, и затем упорная гайка 9, которая закрывает сквозное ступенчатое отверстие корпуса 1 и одновременно крепит к его торцу кабель 10, фиксируя его конец от перемещения и смещения.

Корпус 1 представляет собой цилиндр со ступенчатым сквозным отверстием и наружной поверхностью переменного сечения с меньшим диаметром в зоне 11 рабочего спая 3, где цилиндрическая часть наружной поверхности переходит в конусную до ступенчатого выступа 12 и затем переходит в цилиндрическую часть 13 с резьбой на конце для установки упорной гайки 9. Ступенчатое сквозное отверстие корпуса 1 на длине Li образует защитный цилиндр рабочего спая 3, переходящее в отверстие под термопарный кабель 2 длиной Li. Далее оно переходит в ступенчатое отверстие под уплотнительную засыпку 7 малого диаметра до выступа 12 и далее переходит в отверстие большего диаметра под внешний диаметр заглушки 5 узла герметизации 6. Заглушка 5 представляет собой цилиндр, с узлом герметизации 6, проходящим по внешнему диаметру заглушки 5 и диаметру большего внутреннего отверстия корпуса 1, а также по внутреннему диаметру заглушки 5 и внешнему диаметру термопарного кабеля 2. Узел герметизации 6 по внутреннему диаметру заглушки 5 и внешнему диаметру термопарного кабеля 2 аналогичен узлу герметизации 4. Между накидной гайкой 8 и упорной гайкой 9 в корпусе 1 на его цилиндрической части 13 предусмотрено перепускное резьбовое отверстие 14. Принято часть корпуса 1 от выступа 12 до упорной гайки 9, включая ее, называть наружной частью датчика температуры.

Заглушка 5 имеет два глухих отверстия под установку неразъемным соединением двух концов проволок 15, которые расположены с двух диаметрально противоположных сторон термопарного кабеля 2, прижатый к нему трубкой 16 и все вместе находятся в оплетке 17, составляя кабель 10. Конец оплетки 17 развальцован и прижат через шайбу 18 упорной гайкой 9 к торцу корпуса 1. При этом шайба 18 неразъемно соединена с концом оплетки 17. На свободный конец кабеля 10 устанавливается разъем (на фиг. не показан) для подключения к аппаратуре для съема показателей. Таким образом, трубка 16 вместе с проволоками 15 и оплеткой 17 является оболочкой термопарного кабеля 2 и составляет кабель 10 передачи измерений от головки датчика температуры до аппаратуры съема показаний через разъем.

Термопарный кабель 2 является элементом измерения и состоит из оболочки 19, внутри которой расположены две жилы - термоэлектроды 20 и 21, которые, начиная от спая 3, изолированы друг от друга и от оболочки 19 и расходятся от спая 3 на две параллельные линии. Пространство внутри оболочки 19 и между термоэлектродами 20 и 21 заполнено минеральной изоляцией 22. При этом спай 3 расположен между защемленными концами торца оболочки 19 и имеет сварной шов 23, включающий спай 3. Один из термоэлектродов, например 20, имеет положительную полярность и изготовлен из сплава хромель, а тогда другой термоэлектрод 21 имеет отрицательную полярность и изготовлен из сплава копель.

Изготовление и сборка датчика температуры и термопарного кабеля 2 осуществляются следующим образом. Корпус 1, заглушка 5, оболочка 19, накидная гайка 8 и упорная гайка 9 изготавливаются из никелевого сплава, например, 12Х18Н10Т.

В отверстие под узел герметизации 4 корпуса 1 устанавливают термопарный кабель 2 и закрепляют его в корпусе 1 с помощью высокотемпературной пайки. Часть припоя на фиг.1 обозначена поз.24. Концы термоэлектродов 20 и 21 объединяют с образованием рабочего спая 3. Защемляют на рабочий спай 3 торец оболочки 19 и проваривают шов 23. После этого рабочий спай 3, узел герметизации 4 в месте соединения оболочки 19 и корпуса 1 проверяют на прочность и герметичность.

Внутренность корпуса 1 между узлами герметизации 4 и 6 заполняют засыпкой 7, например, порошком окиси алюминия и уплотняют ее с помощью вибростенда.

Перед установкой заглушки 5 предварительно в нее устанавливают две проволоки 15 и предварительно закрепляют в нескольких местах лазерной сваркой. Затем через внутреннее отверстие заглушки 5 в сборе с проволоками 15 пропускают свободный конец термопарного кабеля 2 и заглушку 5 в сборе вставляют в корпус 1. Перед пайкой узла герметизации 6 при необходимости добавляют порцию засыпки 7.

Производят высокотемпературную пайку вторичного узла герметизации 6 по внутреннему и наружному диаметру заглушки 5. При этом за одну операцию производят соединение заглушки 5 с термопарным кабелем 2, корпусом 1 и проволоками 15.

В момент высокотемпературной пайки вторичного узла герметизации 6 происходит нагрев и расширение воздуха внутри объема корпуса 1 и повышение его давления, что препятствует качественной пайке узла герметизации 6. Для того чтобы давление не препятствовало качественной пайке узла герметизации 6, предусмотрено перепускное резьбовое отверстие 14, через которое происходит сброс давления в атмосферу.

При засыпке, виброуплотнении и дополнительной засыпки 7 отверстие 14 закрывается установкой технологического винта (на фиг. не показан), который перед пайкой удаляется, а отверстие 14 заваривается дуговой сваркой.

После этого швы узлов герметизации 4, 6 и сварное соединение отверстия 14 проверяются на герметичность методом накопления с применением воздушно-гелиевой смеси.

Датчик температуры устанавливается в установочное гнездо объекта измерения и фиксируется накидной гайкой 8. В накидной гайке 8 в углах шестигранника предусмотрены отверстия для контровки от отворачивания. Разъем кабеля 10 стыкуется с ответной частью разъема потребителя, при этом кабель 10 прокладывается к месту подключения и фиксируется от смещения (перемещения) по всей своей длине.

При воздействии температуры на рабочий спай 3 термопарного кабеля 2 возникает термоЭДС, пропорциональная изменению температуры в точке измерения. Время отклика на изменение температуры составляет не более 0,2 сек.

Датчик температуры представляет прочную и герметичную оболочку, прочность и герметичность которой не ниже прочности и герметичности объекта измерения. Этому способствует изготовление корпуса 1 как единой, цельной конструкции, применение соответствующих деталей и материалов, взаимного расположения и фиксации между собой с созданием узлов герметизации от проникновения измеряемой среды внутрь датчика температуры и через него наружу.

Прочность и герметичность датчика температуры достигается применением стыковочного кабеля 10 с наружной частью датчика температуры, а также специального термопарного кабеля КТМС, термоэлектроды которого заключены в металлическую оболочку и заизолированы порошком окиси магния и представляют монолитную конструкцию.

Предложенная конструкция датчика температуры дает возможность проведения контроля прочности и герметичности составляющих единиц: рабочего спая 3, термопарного кабеля 2, первичного узла уплотнения 4, вторичного узла уплотнения 6 методом визуального контроля и на соответствие ГОСТ 24054-80 на всех этапах изготовления датчика температуры.

Вибропрочность датчика температуры обеспечивается не только монолитностью его конструкции, но и минимальным вылетом рабочего спая 3 на длину L≤L₁ и расположение его в охранной зоне 11 с ее длиной L₁ единой конструкции корпуса 1, образующего защитный кожух с отверстиями вокруг рабочего спая 3 термопарного кабеля 2. Положительные дополнительные свойства вибропрочности датчика температуры обеспечиваются засыпкой 7 и ее виброуплотнением, засыпки внутреннего объема термопарного кабеля 2 в виде набивки минеральной изоляцией 22 исключающего перемещение термоэлектродов 20 и 21, а также введение упрочняющих элементов в виде проволок 15, установленных в заглушке 5 установленной в корпусе 1, мягкой резиновой трубки 16 и плетенки 17 с шайбой 18, составляющих кабель 10.

Таким образом, предложенное изобретение, позволяет повысить точность измерения и регистрации температуры измеряемой среды, повысить надежность работы датчика температуры, а также увеличить срок его службы. Сокращаются сроки изготовления и сборки его, повышается надежность эксплуатации, как самого датчика, так и стыковочного узла.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при измерении температуры проходящих газовых потоков при испытаниях и эксплуатации газотурбинных двигателей. Датчик температуры содержит корпус с наружной поверхностью переменного сечения со ступенчатым выступом, переходящим в цилиндрическую часть, внутри которого вдоль продольной оси корпуса расположены термоэлектроды термопарного кабеля с образованным на конце рабочим спаем внутри охранной зоны с элементами его крепления к объекту измерения и фиксации кабеля на наружной части. При этом корпус датчика выполнен единой, цельной конструкцией, включающей охранную зону. Узел герметизации на выходе термопарного кабеля из корпуса выполнен в виде цилиндрической заглушки с двумя глухими отверстиями под установку неразъемным соединением двух концов проволок, которые расположены с двух диаметрально противоположных сторон термопарного кабеля. Термопарный кабель состоит из оболочки, внутри которой расположены термоэлектроды, которые, начиная от спая, изолированы друг от друга и от оболочки и расходятся от спая на две параллельные линии. Пространство внутри оболочки и между термоэлектродами заполнено минеральной изоляцией. Технический результат: повышение точности измерения и регистрации температуры измеряемой среды. 3 ил.

Датчик температуры, содержащий корпус с наружной поверхностью переменного сечения со ступенчатым выступом, переходящим в цилиндрическую часть, внутри которого вдоль продольной оси корпуса расположены термоэлектроды термопарного кабеля с образованным на конце рабочим спаем внутри охранной зоны с элементами его крепления к объекту измерения и фиксации кабеля на наружной части, при этом фиксация термопарного кабеля внутри корпуса обеспечена засыпкой, а на выходе термопарного кабеля из корпуса он снабжен резиновой трубкой в металлической оплетке, отличающийся тем, что корпус датчика выполнен единой, цельной конструкцией, включающей охранную зону и наружную часть со ступенчатым сквозным отверстием с узлами герметизации термопарного кабеля, пространство между которыми заполнено уплотнительной засыпкой, при этом узел герметизации на выходе термопарного кабеля из корпуса выполнен в виде цилиндрической заглушки с двумя глухими отверстиями под установку неразъемным соединением двух концов проволок, которые расположены с двух диаметрально противоположных сторон термопарного кабеля, проходящего в отверстие заглушки, и прижаты к нему трубкой и все вместе находятся в металлической оплетке, составляя кабель для подключения его к аппаратуре для съема показаний, при этом конец металлической оплетки со стороны корпуса развальцован и неразъемно соединен с шайбой, которая прижата упорной гайкой к торцу корпуса датчика, который крепится ступенчатым выступом к объекту измерения при помощи накидной гайки, при этом термопарный кабель состоит из оболочки, внутри которой расположены термоэлектроды, которые, начиная от спая, изолированы друг от друга и от оболочки и расходятся от спая на две параллельные линии, а пространство внутри оболочки и между термоэлектродами заполнено минеральной изоляцией, при этом спай расположен между защемленными концами торца оболочки и имеет сварной шов, включающий спай.