Термозонд и способ его изготовления

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5006414/10 . (22) 24.10.91 (46) 30.10.93 Бюп Na 39-40 (76) Занцев Владимир Константинович: Гусев

Владимир Иванович (54) ТЕРМОЗОНД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Использование: измерение высоких температур жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: в огнеупорном блоке из керамического теплоизоляционного материала на основе силикатных волокон установлена термопара Рабочая часть блока имеет термостойкое покрытие из плотной керамики на основе кварцевого и боросиликатного стекла с эачерняющей добавкой На торце блока в (в) КЦ (н) 2002218 (. 1 (5Ц слое термостойкого покрытия размещен рабочий спай термопары с примыкающими к нему участками термоэлектродов. Блок закреплен на одном из концов держателя в форме трубки, в которой со стороны ее другого конца установлена ппата в оболочке из материала на основе боросиликатных волокон. На плате закреплены свободные концы термоэлектродов термопары. Перед укладкой термоэлектродов на рабочую часть огнеупорного блока наносят грунтовый силикатный слой, затем блок сушат на воздухе и в печи, обжигаю и охлаждаю до комнатной температуры После нанесения покрытия блок повторно высушивают на воздухе и затем обжигают. Сушку и обжиг огнеупорного блока проводят по заданным режимам. 2 сп. ф-лы, 1 ип

2002218 м

Изобретение относится к термометрии, в частности к измерению температуры жидких и газообразных сред, и может использоваться в различных областях техники, занимающихся разработкой и созданием изделий, работа- 5 ющих в условиях высокоинтенсивного теплового воздействия (теплоэнергетика, ма-. териаловедение, космическая техника и др.).

Известен термозонд, содержащий огнеупорный керамический блок с установленной в нем термопарой в защитном чехле, выполненный из теплоизоляционного материала и имеющий термостойкий слой на своей рабочей части. Блок закреплен на держателе, выполненном в виде трубки, в которой расположены термоэлектроды термопары, связывающие ее с регистрирующим прибором. Способ изготовления такого термоэонда включает изготовление огнеупорного блока, его сушку, поучение термостойкого слоя на . рабочей части блока, установку в блоке термопары в чехле, закрепление огнеупорного блока на держателе и соединение термоэлектродов термопар с регистрирующим 25 прибором.

В известном устройстве рабочий спай термопары установлен в защитном чехле в виде металлической трубки, которая размещена в теплоизоляционном блоке. Поэтому 30 устройство измеряет непосредственно не температуру среды, куда его вводят, а температуру стенки защитного чехла, в котором установлена термопара, что снижает точность результатов измерений, 35

Кроме того, известное устройство содержит материалы с различными коэффициентами теплового расширения, что способствует развитию термонапряжений.в элементах конструкции, растрескиванию 40 керамических элементов и; как следствие, приводит к снижению надежности устройства, Наиболее близким к заявленному устройству является термозонд, содержащий 45 термопару, установленную в огнеупорном блоке из керамического теплоизоляционного материала. имеющем термостойкое покрытие на рабочей части и закрепленном на одном из концов держателя в форме трубки, внутри которой пропущены термоэлектроды термопары на части своей длины вблизи ее рабочего спая, совместно с ним размещенные на торце огнеупорного блока в слое термостойкого покрытия, а свободными 55 концами через соединительные провода подключенные к .регистрирующему прибору

Наиболее близким к заявленному способу является способ изготовления термозонда, включающий установку термопары в. огнеупорном блоке, укладку термоэлектродов на части их длины вблизи рабочего спая термопары на торце огнеупорного блока, натяжение термоэлектродов, нанесение термостойкого покрытия на рабочую часть огнеупорного блока. закрепление блока на держателе. и подсоединение термопары к регистрирующему прибору.

Недостатком известных термозонда и способа его изготовления является низкая надежность устройства, Цель изобретения — повышение надежности термозонда.

Цель достигается тем, что известное устройство введена установленная внутри трубки плата в оболочке из легковесного низкоплотного материала на основе боросиликатных волокон, на которой закреплены свободные концы термоэлектродов термопары, в качестве керамического теплоизоляционного материала использован легковесный низкоплотный материал на основе боросиликатных химически сваренных между собой волокон диаметром 1 — 10 мкм длиной 100 — 1000 мкм, обладающий температурой плавления Тпл>1600 С, коэффициентом теплопроводностиХ= 0,01-0,1 Вт/мК и плотностьюp= (0,07 — 0,4) 10 кг/м, термостойкое покрытие выполнено из плотной керамики толщиной (1-8) .10 и степенью

-4 черноты не менее 0,6 на основе кварцевого и боросиликатного стекла с зачерняющей добавкой.

Цель достигается также тем, что в известном способе изготовления термозонда после укладки термоэлектродов огнеупорный блок высушивают на воздухе в течение

300 — 2400 с, кварцевым валиком выравнивают поверхность блока, приводят его сушку при температуре 373 — 423 К в течение 300—

2400 с, обжигают огнеупорный блок при температуре 1273 — 1973 К в течение 3001800 с и охлаждают его до комнатной температуры, а после нанесения термостойкого покрытия огнеупорный блок высушивают при комнатной температуре в течение 300—

2400 с, обжигают при температуре 1473—

1726 К в течение 300-1800 с и охлаждают до комнатной температуры.

На чертеже приведена схема предлагаемого термозонда.

Устройство содержит огнеупорный блок

1, выполненный из керамического теплоизоляционного материала и имеющий термостойкое покрытие 2 с термопарой, рабочий спай 3. которой размещен в слое покрытия. Огнеупорный керамический блок закреплен на держателе 4, выполненном в

2002218 виде трубки, в которой расположены термоэлектроды 5 термопары, связывающие ее с регистрирующим прибором 6.

В качестве материала огнеупорного блока использован материал на основе си- 5 ликатных химически сваренных между собой волокон с диаметром волокон 1-10 мкм и длиной 100 — 1000 мкм, Такие характеристики материала блока

1 выбраны, исходя из следующих условий. 10

Во-первых, материал огнеупорного блока должен выдерживать высокие температуры, характерные для условий измерений в среде жидких и газообразных агрессивных сред, быть стойким к воздействию термо- 15 ударов, которым подвергается конструкция при вводе термозонда в высокотемпературную среду, Во-вторых, обладать высокими теплоизоляционными свойствами, т.е, иметь ко- 20 эффи цие нт тепл оп ров одно сти А 0,1

Вт/м К.

В-третьих, быть технологичным в изготовлении.

В-четвертых, обладать низким весом 25 т.е. иметь плотность p = (0,07 — 0,4) 10 кгlм .

Исходя из этих требований, выбран легковесный низкоплотный материал на основе волокон SiOz. 30

Характерной особенностью материалов на основе SiOz является сложный характер теплопереноса в них, обусловленный одновременным участием конвективной, радиационной и кондуктивной составляющих 35 теплопереносов.

Результаты исследования характеристик блоков из таких материалов показали, что наиболее предпочтительными как с точки зрения обеспечения требуемых характе- 40 ристик блока (Глл, il,,р ), так и технологии изготовления являются волокна диаметром

1 — 10 мкм и длиной 100 — 1000 мкм.

Термостойкое покрытие 2 выполнено из плотной керамики на основе кварцевого и 45 боросиликатного стекла и зачерняющгй добавкой толщиной (1-8) 10 м и степенью

-4 черноты я > 0,6. Такие характеристики по. крытия обеспечивают возможность размещения в нем термоэлектродов диаметром 50 (0,01 — 5) 10 м, высокую термостойкость покрытия и высокую интенсивность сброса тепла посредствои радиационного теплообрена (Quan - епТ ).

Свободные концы термозлектродов 5 55 выведены с противоположной стороны огнеупорного блока 1 и закреплены в верхней части держателя 4 на плате 7, закрытой со всех сторон оболочкой 8 из легковесного низкоплотного материала на основе боросиликатных волокон.

Способ изготовления термозонда включает следующие операции и поясняется конкретным примером оеализации.

На рабочую часть огнеуп оного блока 1, выполненного из материала на основе волокон SiOz, наносят грунтовый слой из 100%

SlO2 толщиной (1-3) .10 м, одинаковый по коэффициенту термического расширения с материалом блока 1. Укладывают термоэлектроды 5 на торце блока, свободные концы термоэлектродов выводят с протИвоположной стороны блока 1 и производят их натяжение. В качестве термопары используют термопару платина-платинородий с диаметром термоэлектродов, равным

1 10 м. После укладки термоэлектродов проводят сушку блока на воздухе в течение

1800 с, выравнивают поверхность блока кварцевым валиком с шероховатостью поверхности, соответствующей 7 классу чистоты, а затем проводят сушку блока при температуре 400 К в течение 1000 с. После этого огнеупорный блок обжигают при температуре 1500 К в течение 1500 с и охлаждают до комнатной температуры, Далее на рабочую Часть блока наносят слой термостойкого покрытия толщиной 2 .10 м, содержащий 15% боросиликатного

-4 стекла, 75% кварцевого стекла и 10% зачерняющей добавки, проводят сушку блока при комнатной температуре в течение 2000 с и его обжиг при температуре 1500 K a òe÷åíèå

1500 с, после чего бло охлаждают до комнатной температуры.

Нижний и верхний пределы диапазона температуры обжига обусловлены мгиIltмально и максимально допустимой температурой спекания компонентов глазурного слоя покрытия.

Благодаря тому, что установка термопары проводится в процессе изгоговления огнеупорного блока, не i арушается целостность и не снижа,отея прочностные свойства конструкции. При этом, поскольку наружная часть термоэонда содержит материалы с одиггаковыми коэффициентами теплового расширения, снижаются уровень термонапряжений и вероятность растрескивания керамических эле;ле rou, ooâûøà отся надежность и долговечность ":.;TpoAcTBB.

Одновременно, поско,,ьку термопара установлена в тонком наружном термостойком покрытии, снижаетс, и; =;. ционность термозон а, d за с ет тога, что термеплоз устанавливается в про:.:, ссе и-.roòosë iþÿ покрытия, снижается контактное термическое сопротивлен, е ь:.еик,,:у теомепарой и

2002218

Формула изобретения

Составитель Н.Соловьева

Редактор Т.Локшарева Техред M.Моргентал Корректор Н.Милюкова

Заказ 3169

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 материалом покрытия. в результате повышае.ся точно:ть измерения. Погрешность измерения температуры составляет 5%.

1.Термоэонд, содержащий термопару, ус, тановленную в огнеупорном блоке из керамического теплоиэоляционного материала, имеющем термостойкое покрытие на рабочей части и закрепленном на одном из концов держателя в форме трубки, внутри коТорой пропущены термоэлектроды тер.. мопары на части своей длины вблизи ее рабочего спая, совместно с ним размещен-. ные иа торце огнеупорного блока в слое термостойкого покрытия, а свободными концами через соединительные провода подключенные к регистрирующему прибору, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введена плата в оболочке из легковесного низкоплотного материала на основе боросиликатных волокон, установленная в трубке со стороны ее другого конца, в качестве керамического теплоизоляционного материала использован легковесный низкоплотный материал с температурой плавления Т д. >

1600 С, коэффициентом теплопроводности

А = (0,01 — 0,1) Вт/мК и плотностью р = (0,07 — 0,4) ° 10 кг/м, на основе силикатных химически сваренных между собой волокон с диаметром i - 10 мкм и длиной 100 — 1000 мкм, термостойкое покрытие выполнено из плотной керамики толщиной (3 - 8) °:10 м и степенью черно-4 ты не менее 0,6 на основе кварцевого и бо(56) Патент СССР М 321026, кл. G 01 К

7/02, 1971, Авторское свидетельство СССР

N. 355510, кл. G 01 К 1/14, 1971.

5 росиликатного стекла с эачерняющей добавкой, а свободные концы термоэлектродов, имеющих диаметр (0,01 - 5) 10 м, закреплены на плате, 2.Способ изготовления термозонда, включающий установку термопары в огнеупорном блоке, укладку термоэлектродов на части их длины вблизи рабочего спая термопары на торце огнеупорного блока, 15 натяжение термоэлектродов, нанесение термостойкого покрытия на рабочу . асть огнеупорного блока, закрепление блока на держателе и подсоединение термопары к регистрирующему прибору, отличающийся

20 тем, что, с целью повышения надежности, перед укладкой термоэлектродов на рабочую часть огнеупорного блока наносят грунтовый силикатный слой толщиной (13) ° 10 м, после укладки термоэлектродов огнеупорный блок высушивают на воздухе в течение 300 - 2400 с, кварцевым валиком выравнивают поверхность блока, проводят его сушку при 373 - 423 К в течение 3002400 с, обжигают огнеупорный блок при

1273 — 1973 К в течение 300 — 1800 с и охлаждают его до комнатной температуры, а после нанесения термостойкого покрытия огнеупорный блок высушивают при ком35 натной температуре в течение 300 - 2400 с, обжигают при 1473 - 1623 К в течение 3001800 с и охлаждают до комнатной температуры.