Датчик для измерения температуры теплозащитного материала Советский патент 1992 года по МПК G01K7/04 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для контроля теплового состояния различных материалов, используемых в качестве покрытий стенок или узлов конструкций различных промышленных аппаратов и установок, которые подвергаются значительному нагреву (2000-3500 К), например стенки каналов МГД-генераторов и др.

Известен датчик для измерения прогрева теплозащитных (ТЗМ) материалов 1, содержащий ступенчатый корпус с восстанавливающимся горячим спаем термопары по мере разрушения материала. В известной конструкции корпус датчика выполнен из исследуемого материала.

Недостатком известного датчика является невозможность использования его для .контроля за тепловым состоянием многослойных материалов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является датчик для измерения прогрева и уноса ТЗМ 2, образованный связанными между собой платами, между которыми находятся спаи термопар. Платы изготовлены из одного типа материалов. При достижении критической температуры происходит последовательное разрушение плат и связанных с. ними термопар, что фиксируется регистратором.

ТЗМ, используемые в качестве стенок или узлов различных промышленных аппаратов и установок, представляют собой многослойную композицию, каждый из слоев которой обладает повышенной стойкостью к какому-то одному определяющему фактору теплового и силового воздействия. Так. верхний слой подвергается непосредственно высокотемпературному нагреву и долXI XJ VI

О О 00

жен обладать наибольшей термостойкостью. Для этой цели наиболее перспективными являются углеграфитовые материалы. Нижний слой является теплоизоляционным и обеспечивает требуемый температурный режим. В качестве материала этого слоя используются стеклопластики на основе эпок- сифенольного связующего. Материалы обоих слоев имеют различные теплофизиче- ские характеристики, в частности коэффи- циенты термического расширения. Измерения температуры прогрева в ТЗМ такого типа не могут быть проведены при использовании конструкции датчика 2, т.к. при высокотемпературном нагреве возни- кает смещение слоев, вызванное значительным температурным градиентом и существенным различием в коэффициентах термического расширения, а это приводит к разрывутермоэлектродов и, следовательно, к неверной интерпретации показаний датчика.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры многослойного ТЗМ,

Указанная цель достигается тем, что в известном датчике для измерения прогрева ТЗМ, содержащем корпус в виде жестко соединенных между собой плат с отверстиями для термоэлектродов термопары, каждая плата выполнена из материала прилегающего к ней слоя контролируемого ТЗМ, каждый из термоэлектродов - с петлевым изгибом, размещенным в расширении соответствующего отверстия, выполненном в зоне стыка плат, а рабочий спай термопары установлен внутри одной из плат.

Предложенный датчик позволяет проводить надежные измерения в условиях деформации и сдвига между слоями ТЗМ при высокотемпературном нагреве. Размещение рабочего спая внутри платы обеспечивает получение достоверных измерений по прогреву материала.

На чертеже представлена схема датчи- ка. состоящего из двух плат.

Устройство содержит корпус 1, включающий платы 2 и 3 из материалов с различными коэффициентами теп левого расширения, термопару, рабочий спай 4 ко- торой расположен внутри платы 2. Термоэлектроды 5 проходят через отверстия б в платах 2 и 3 и укладываются петлями 7 в расширениях 8 на границе соединения плат 2 и 3.

Датчик работает следующим образом.

При нагревании материала прогревается плата 2, затем тепловая волна проходит в плату 3, выполненную из материала с другим коэффициентом термического расширения, чем первая. Происходит расширение материалов, возникают термические напряжения, что и приводит к смещению слоев. Поскольку на границе раздела плат 2 и 3 отверстия выполнены с расширениями 8 и термоэлектроды 4 уложены в них свободной петлей 7, то при сдвиге слоев сохраняется целостность термопары. ТермоЭДС(Е) термопары фиксируется регистратором (на чертеже не показан). Значения температуры прогрева ТЗМ определяют посредством калибровочной зависимости Т f(E).

Для исследования работы и проверки эксплуатационной надежности данной конструкции датчика были изготовлены шесть датчиков, состоящих из двух слоев: стеклопластик на основе эпоксидфенольного связующего и углеграфитовый материал (пирографик ПГВ).

Использовались вольфрам-рениевые термопары (d 50 мк), обработанные защитным термостойким покрытием. Глубина заделки горячего спая термопары - 2 мм. Термоэлектроды термопары проходили через отверстия в платах диаметром d 0,5 мм. Часть датчиков была изготовлена с расширениями на границе соединения плат (диаметр расширения около 1,0 мм). Термоэлектроды были уложены в расширениях в виде петли. Длину петли брали с учетом разницы коэффициентов термического расширения материалов, из которых изготовлены платы и которая была не менее 1,0 мм. Затем датчики плотно устанавливались в аналогичном двухслойном ТЗМ, содержащем стеклопластик на основе эпоксидофенольного связующего и углеграфитовый материал ПГВ, и подвергались нагреву в плазмотроне высокоэнтальпийной газовой струи (температура около 4000 К). ТермоЭДС термопар датчика регистрировалась на шлейфовом осциллографе. По тарировочному графику определялась температура прогрева ТЭМ.

В процессе эксперимента датчики показали высокие точностные характеристики. Разрыва термоэлектродов, вызванного деформацией и сдвигом слоев ТЗМ, не наблюдалось.

Формула изобретения Датчик для измерения температуры теплозащитного материала, содержащий корпус в виде жестко соединенных между собой плат с отверстиями для термоэлектродов термопары, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры многослойного теплозащитного материала со слоями из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, каждая плата выполнена из материала прилегающего к ней слоя контролируемого теплозащитного материала, каждый из термоэлектродов - с петлевым изгибом, размещенным в расширении соответствующего отверстия, выполненном в зоне стыка плат, а рабочий спай термопары установлен внутри одной из плат.

Использование: контроль теплового состояния многослойного теплозащитного материала (ТЗМ) со слоями из материалов с различными коэффициентами термического расширения. Сущность изобретения: датчик содержит корпус в виде жестко соединенных плат, каждая из которых выполнена из материала прилегающего к ней слоя контролируемого ТЗМ. Через отверстия в корпусе пропущены термоэлектроды, слой которых установлен внутри одной из плат. Каждый из термоэлектродов выполнен с петлевым изгибом, который размещен в расширении соответствующего отверстия, образованном на стыке плат. 1 ил.

;