Многозонный датчик температуры Российский патент 2025 года по МПК G01K7/06 G01K1/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении температурных полей в технологических емкостях, в том числе, находящихся под давлением, например, в нефтеперерабатывающей промышленности при измерении температуры в катализаторах, используемых в установках гидрокрекинга.

Из уровня техники известны несколько конструкций многозонных датчиков температуры, обладающих гибкостью и состоящих из нескольких чувствительных элементов.

Так известна многоэлектродная термопара по авторскому свидетельству SU589844, опубл. 05.11.1978, содержащая в защитной оболочке один термоэлектрод одной полярности и несколько термоэлектродов другой полярности с рабочими спаями, расположенными на разных по высоте уровнях. Термопара выполнена в виде гибкого многожильного кабеля, причем термоэлектрод первой полярности выполнен в виде пучка терможил разной длины, к которым встык приварены термоэлектроды другой полярности. На основе данного патента были разработаны ТУ 16-705.073-78.

К недостаткам многоэлектродной термопары можно отнести:

- наличие общего термоэлектрода снижает надежность выполнения измерений, т.к. во-первых, изменение его метрологических характеристик, например, обусловленное местной неоднородностью в общем термоэлектроде, приведет к искажению показаний всех термопар; во-вторых, обрыв общего термоэлектрода или разрушение термопары в зоне её торца приведет к потере показаний от всех термопар;

- ограниченное количество термопар (рабочих спаев). Так согласно ТУ 16-705.073-78 максимальное количество термоэлектродов 6 (один общий алюмелевый и 5 хромелевых), что обуславливает пять зон измерения. В самом патенте приводится пример с 7 термоэлектродами и шестью зонами измерения;

- наличие засыпки из окиси магния в пространстве между термоэлектродами в случае нарушения целостности оболочки может привести к потере сопротивления изоляции между термоэлектродами, т.к. окись магния является гигроскопичной, что приведет к искажению показаний термопар.

Известна многоточечная термопара по патенту US6550963, опубл. 22.04.2003, состоящая из оболочки с множеством пар термоэлектродов. Каждая пара термоэлектродов сконструирована таким образом, что точка их соединения находится в уникальном продольном расположении вдоль оболочки, что позволяет измерять температуры во множестве различных мест.  Термоэлектроды электрически разделены электроизоляционным материалом, расположенным вокруг них внутри оболочки. По данному патенту производятся термопары CatTracker™ компанией Daily Thermetrics, о чем указано в брошюре «REACTOR THERMOMETRY. CatTracker® Catalyst Tracking System».

К недостаткам данной конструкции можно отнести следующие недостатки:

- ограниченное количество термопар (рабочих спаев). Согласно брошюры производителя не выпускаются многоточечные термопары с количеством спаев более 16;

- наличие засыпки из окиси магния в пространстве между термоэлектродами в случае нарушения целостности оболочки может привести к потере сопротивления изоляции между термоэлектродами, т.к. окись магния является гигроскопичной, что приведет к искажению показаний термопар;

- прохождение всех пар термоэлектродов через дальний (нижний) торец оболочки многоточечной термопары приводит к тому, что при разрушении оболочки датчика в его нижней части (срезе датчика) будут потеряны все зоны как и в случае термопары по авторскому свидетельству SU589844.

Также известен многоточечный датчик для определения существующего температурного профиля среды по патенту US10768052, опубл. 08.09.2020, включающий трубчатую оболочку с закрытой торцевой областью; по меньшей мере, два цилиндрических дистанционатора, изготовленные из материала с высокой теплопроводностью и расположенные на осевом расстоянии друг от друга внутри оболочки. В качестве чувствительных элементов в предложенной конструкции могут использоваться кабельные термоэлектрические преобразователи или кабельные термометры сопротивления. Преимущество способа, согласно изобретению, заключается в том, что в процессе производства многоточечного датчика не используется процесс пултрузии. В результате, в дополнение к термоэлементам, также могут использоваться более чувствительные компоненты датчика, такие как термометры сопротивления. Однако применение конструкции с теплопроводящими дистанционаторами приводит к формированию участков внешней оболочки, изгиб которых в зоне прокладки будет невозможен. Дополнительно к этому дистанционаторы усложняют процесс сборки изделий и, возможно, по этой причине их упоминание отсутствует в каталоге продукции патентообладателя и в технической статье про данные изделия, хотя они и являются одним из существенных признаков, заявленных в патенте US10768052.

В результате к недостаткам данной конструкции можно отнести следующие факторы, которые подтверждаются отсутствием информации патентообладателя о производстве продукции по данному патенту:

- сложность сборки зонда с количеством зон контроля более четырех;

- сложность изготовления самих дистанционаторов из специальных сортов теплопроводящей керамики;

- невозможность обеспечить качественную засыпку заполняющим порошком при длине зонда более 6 метров.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является многозонный температурный кабельный зонд TS901 производства “Endress+Hauser” (https://www.endress.com/en/field-instruments-overview/measurement-technologies/ts901). Это кабель с минеральной изоляцией в металлической оболочке и несколькими независимыми кабельными термопарами с минеральной изоляцией, в отличие от конструкции, описанной в патенте US10768052, в зонде TS901 отсутствуют цилиндрические прокладки с высокой теплопроводностью.

Основные недостатки данной конструкции это ограничение в количестве измерительных зон и максимальной длины датчика, которые вытекают из способа ее изготовления, в данной конструкции максимальное количество зон 4, как указано в техническом описании датчика TS901, максимальная длина 9000 мм, что обусловлено необходимостью заполнять пространство между чувствительными элементами мелкодисперсным порошком окиси магния, уплотняемым под воздействием вибрации. К еще одному недостатку относится способ передачи тепла от наружной оболочки к рабочему спаю за счет теплопроводности порошка окиси магния, имеющего сравнительно низкую теплопроводность относительно металлической внешней оболочки. Отсутствие прокладок с высокой теплопроводностью, о которых упоминалось в патенте US10768052 приводит к увеличению времени реакции термопары на изменение температуры окружающей среды, а для динамичных процессов и вовсе может привести к недостоверным показаниям, так как точки контроля датчика TS901 могут не успевать воспринимать в полной мере внешнюю температуру.

Техническая проблема заключается в необходимости создания многозонного датчика температуры, лишённого указанных недостатков.

Технический результат заключается в увеличении количества зон измерения, что повышает его информативность при повышении надежности применения датчика и без потери возможности изгиба датчика температуры на всем протяжении.

Для решения технической проблемы, а также для достижения технического результата предлагается гибкий многозонный датчик температуры, содержащий внешнюю оболочку, в которой расположены чувствительные элементы. Каждый чувствительный элемент внутри представляет собой кабельный термоэлектрический преобразователь с одной или несколькими парами термоэлектродов, выполненный из термопарного кабеля с минеральной изоляцией. Причем количество чувствительных элементов подбирается таким образом, чтобы заполнить все пространство внутри наружной оболочки с минимальным зазором, что увеличивает количество зон измерения, как правило, не менее четырех. Каждый чувствительный элемент от своего торца и до нижнего торца многозонного датчика температуры имеет удлинитель, изготовленный из проволоки идентичного диаметра или из кабеля с минеральной изоляцией. Таким образом, уже в начальной стадии изготовления конструкция имеет плотное прилегание между чувствительными элементами и внутренней поверхностью наружной оболочки, что повышает точность измерения и информативность. После предварительной сборки, для обеспечения наиболее плотного прилегания и придания гибкости датчику заготовка подвергается пластической деформации, например, способом ротационной ковки или протяжке через фильеру (пултрузии). Внешний диаметр оболочки уменьшается, а её толщина увеличивается. Оболочка чувствительных элементов незначительно деформируется в такой степени, что все зазоры практически исчезают, но при этом не происходит растрескивание их оболочки, а значит сопротивление изоляции не падает, что повышает надежность применения датчика. В результате обеспечивается плотное прилегание, под которым подразумевается взаимное прилегание чувствительных элементов друг к другу и к внешней оболочке не менее чем на 50% их площадей. Плотное прилегание придает гибкость датчику и обеспечивает передачу теплового потока от измеряемой среды к чувствительным элементам, что повышает точность измерения и информативность. Увеличение толщины внешней оболочки и наличие собственной оболочки чувствительного элемента, на которой отсутствуют микротрещины, повышает надежность применения датчика. Затем герметично глушится торец многозонного датчика, а с другой стороны, формируется узел коммутации для передачи сигнала от чувствительных элементов. Расположение зон измерения (торцов чувствительных элементов) обусловлено их начальной длиной и степенью деформации, что определяется как расчетом, так и отработкой на макетах. Расположение зон измерения контролируется с помощью локального нагрева участков наружной оболочки датчика.

Изобретение поясняется чертежом Фиг. 1, где:

1 – внешняя оболочка;

2 – чувствительный элемент;

3 – оболочка чувствительного элемента;

4 – удлинитель.

На Фиг. 1 многозонный датчик температуры собирается следующим образом: чувствительный элемент #1, изготовленный на основе кабеля с минеральной изоляцией (2), имеющий длину L_{SENS_1}, механически соединяется с удлинителем (4) длины L_{EXT_1}, например лазерной сваркой. Общая длина такой заготовки составляет L= L_{SENS_1+} L_{EXT_1}. Затем аналогичным способом изготавливаются заготовки, содержащие в себе чувствительные элементы от #2 до #n и имеющие различные длины L_{SENS_X}, длины удлинителей для каждой заготовки выбираются таким образом, чтобы общая длина любой из заготовок равнялась L. Следующим этапом производства осуществляется размещение всех заготовок во внешнюю оболочку (1). На данном этапе внутренний диаметр внешней оболочки выбирается таким образом, чтобы с приемлемым допуском разместить внутри всю группу заготовок необходимой длины. После предварительной сборки заготовка многозонного датчика подвергается пластической деформации, например, способом ротационной ковки или протяжки через фильеру (пултрузии). Пластическая деформация обеспечивает плотное прилегание, под которым подразумевается взаимное прилегание чувствительных элементов друг к другу и к внешней оболочке не менее чем на 50% их площадей, и придает гибкость и передачу теплового потока от измеряемой среды к чувствительным элементам. На финальных этапах производства герметично глушится торец многозонного датчика, а с другой стороны, формируется узел коммутации для передачи сигнала от чувствительных элементов.

Приведем сравнение предлагаемого датчика и наиболее близкого прототипа TS901. На Фиг. 2 представлены сечение и схема TS901 из статьи в журнале CITplus 11/2021.

Согласно каталога продукции диаметр зондов TS901 составляет 9.5мм, максимальная толщина стенки 15% или 1.45мм. На Фиг. 3 приведем эскиз эквидистантного расположения четырех чувствительных элементов в виде кабельных термопар диаметром 1.0мм, что соответствует пропорциям элементов на Фиг.2. На эскизе проставлены размер и диаметры внешней оболочки, расстояния между чувствительными элементами и до внешней оболочки.

Рассмотрим пример исполнения заявляемого многозонного датчика температуры при схожем внешнем диаметре оболочки в 10мм, в которой были размещены девять чувствительных элементов (ЧЭ) для девяти точек контроля, при этом каждая точка контроля ЧЭ изготавливается из кабеля диаметром 2мм, как показано на Фиг. 4. В качестве удлинителей использована проволока диаметром 2 мм, которая соединяется с ЧЭ при помощи лазерной сварки. В результате пластической деформации изменяется форма оболочек ЧЭ, при том, что диаметр электродов изменяется незначительно. Так на Фиг.4 представлен чертеж сечения заготовки заявленного многозонного датчика температуры до пластической деформации с размером и диаметрами внешней оболочки, расстояниями между чувствительными элементами и до внешней оболочки, а на Фиг.5 приведена фотография поперечного сечения датчика после деформации также с размерами. Как видно из сравнения с TS901 предлагаемый датчик имеет большую толщину оболочки 2,25 мм, большее количество зон измерений, каждый ЧЭ имеет больший диаметр внешней оболочки кабельной термопары и диаметр термоэлектродов, что положительно сказывается на долговременной стабильности показаний и верхнем пределе применения самой термопары, что следует из таблицы C стандарта IEC 61515:2016 (https://docs.cntd.ru/document/440120933) и таблицы 1 стандарта ASTM E608 (https://www.astm.org/e0608_e0608m-13r19.html).

Передача тепла к чувствительному элементу осуществляется за счет теплопроводности их оболочек, плотно соприкасающихся между собой и внешней оболочкой, что предотвращает искажение передаваемой температуры. При этом наличие двух оболочек повышает надежность датчика, т.к. даже при нарушении целостности внешней оболочки чувствительные элементы сохраняют свою работоспособность. Разрушение внешней оболочки в зоне торца датчика не приводит к потере сигнала от чувствительных элементов, расположенных выше. За счет плотной компоновки, полученной после пластической деформации, датчик можно изгибать на всем его протяжении.

Таким образом, приведенный пример исполнения многозонного датчика температуры доказывает достижение заявленного технического результата, а именно увеличено количество зон измерения без потери возможности изгиба датчика температуры на всем протяжении, в результате повышена информативность датчика и надежность его применения.

Дополнительное преимущество достигается при использовании в предлагаемом датчике температуры в качестве ЧЭ кабельных термопар диаметром 3мм, заключающееся в увеличении долговременной стабильности показаний на верхнем пределе применения датчика, так как согласно таблицы C стандарта IEC 61515:2016 (https://docs.cntd.ru/document/440120933) и таблицы 1 стандарта ASTM E608 (https://www.astm.org/e0608_e0608m-13r19.html) наибольший ресурс и предельные температуры имеют кабельные термопары диаметром 3мм и более.

Следующий пример исполнения заявляемого многозонного датчика температуры с применением четырех ЧЭ кабельных термопар диаметром 3мм с удлинителями из отрезка кабеля с минеральной изоляцией и оболочкой из стали. На Фиг. 6 представлена фотография сечения многозонного датчика температуры с четырьмя точками контроля после пластической деформации, где видна деформация ЧЭ и плотность компоновки. Из данного рисунка видно, что и толщина стенки внешней оболочки и диаметр термоэлектродов существенно больше, чем у прототипа TS901. Как было сказано выше, это оказывает положительное воздействие на срок службы и стабильность показаний датчика температуры.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении температурных полей в технологических емкостях, в том числе, находящихся под давлением, например, в нефтеперерабатывающей промышленности. Многозонный датчик температуры состоит из чувствительных элементов, выполненных в виде кабельных термоэлектрических преобразователей с минеральной изоляцией, и внешней оболочки. Отличительной особенностью является то, что каждый чувствительный элемент оснащен удлинителем на всем протяжении от торца элемента до торца датчика и имеет плотное прилегание к другим чувствительным элементам с удлинителями и к внешней оболочке. Технический результат - увеличение количества зон измерения, что повышает информативность датчика температуры при повышении надежности применения датчика и без потери возможности изгиба датчика температуры на всем протяжении. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Многозонный датчик температуры, состоящий из чувствительных элементов, выполненных в виде кабельных термоэлектрических преобразователей с минеральной изоляцией и внешней оболочки, отличающийся тем, что каждый чувствительный элемент оснащен удлинителем на всем протяжении от торца элемента до торца датчика и имеет плотное прилегание к другим чувствительным элементам с удлинителями и к внешней оболочке.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в качестве удлинителей использована проволока.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в качестве удлинителей использован отрезок кабеля с минеральной изоляцией и оболочкой из стали или сплава.