Способ определения толщины стенки и кондуктометрический датчик теплового потока для осуществления способа

 

Использование: для контроля износа или зарастания отложениями стенок сосудов, трубопроводов или технологических агрегатов с обеспечением высокой достоверности данных о толщине при доступе к объекту контроля только с внешней стороны. Сущность изобретения; способ основан на учете теплового потока при наличии перепада температур по обе стороны контролируемой стенки и предусматривает наложение на нее двух эталонных термосопротивлений различной величины, измерение перепадов температур по толщине каждого из термосопротивлений и разности температур в фиксированных областях по толщине двух термосопротивлений, и расчет толщины контролируемой стенки с учетом трех измеренных перепадов температур. Кондуктометрический датчик имеет два различных по величине теплового сопротивления эталонных термосопротивления 1 и 2, в частности, выполненные в виде двух гибких пластин с различной толщиной или теплопроводностью, снабженных четырьмя датчиками 3, 4 температуры, например термопарами, выполненными с возможностью измерения перепадов температур по толщине каждого из термосопротивлений и разности температур в их фиксированных областях, в частности разности температур их наружных по отношению к контролируемой стенке поверхностей. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Группа взаимосвязанных изобретений относится к методам определения толщины стенок резервуаров, химических, металлургических и иных аппаратов и агрегатов, труб технологических трубопроводов и т.п. по тепловому потоку, возникающему при наличии разности температур между ограниченным стенками пространством внутри объекта контроля и окружающей такой объект средой, и к конструкции кондуктометрических датчиков тепловых потоков для осуществления способа.

Предлагаемые способ и датчик могут быть использованы для контроля толщины и ее изменения во время как однослойных стенок, например, в трубопроводах или химических аппаратах, испытывающих воздействие абразивных или химически агрессивных сред, так и многослойных стенок, например, футерованных огнеупорами стенок промышленных печей произвольного назначения, трубопроводов для перекачки жидких или газообразных сред, из которых выпадают и осаждаются в виде более или менее правильных кольцевых наростов твердые вещества, и т.п. Полученные данные о толщинах стенок текущих или капитальных ремонтов соответствующих технологических агрегатов.

Поскольку потребность в указанных данных об изменении толщин стенок имеет массовый характер, средства ее контроля должны быть как можно более простыми (и соответственно технологичными и дешевыми в изготовлении, и надежными, и удобными в эксплуатации).

Поскольку ошибки в определении фактической толщины, например, футеровки какой-либо печи, или толщины отложений в технологическом трубопроводе, могут привести к серьезным потерям из-за аварий или преждевременных остановок на ремонт, поскольку средства указанного типа должны обеспечивать достаточную для конкретных условий точность измерений при удовлетворительной производительности.

И, наконец, поскольку в большинстве случаев введение датчиков температуры, являющихся частями датчиков тепловых потоков, внутрь объектов контроля нежелательно или опасно, поскольку способы измерения толщины по интенсивности тепловых потоков и применяемые для их осуществления датчики должны эффективно работать при одностороннем доступе к объекту контроля.

Выполнение указанных требований по отдельности не представляет существенных затруднений, хотя для этого иногда и прибегают к неадекватным средствам.

Например, стремясь к обеспечению точного определения толщин стенок, в частности, толщин покрытий на внутренних сторонах стенок труб технологических трубопроводов, нередко прибегают к методу ультразвуковой эхолокации (акцетованная заявка Японии B4 N 2-2760/4, кл. G 01 B 17/02, 1983). Для его осуществления на внешней стороне трубы, имеющей внутреннее покрытие, устанавливают ультразвуковой приемопередающий преобразователь, излучающий ультразвуковой пучок по диаметру трубы, и определяют потери энергии волны, отраженной от противостоящей преобразователю внутренней поверхности покрытия. Зная толщину стенки трубы, предварительно находят зависимость между толщиной покрытия и потерями энергии. Определенные с помощью приемопередатчика потери энергии сравнивают с результатами градуировки и вычисляют толщину покрытия.

Указанные метод и используемые для его осуществления аппаратные средства обладают высоким быстродействием и применимы даже в тех случаях, когда между полостью объекта контроля и окружающей его средой имеется тепловое равновесие. Однако в области применения предлагаемых средств быстродействие практически не нужно, ибо процессы износа стенок аппаратов или защитных слоев на них и процессы зарастания стенок отложениями протекают обычно значительно медленнее, чем требуется для контроля с измерением тепловых потоков. В этой же области применения ультразвуковая эхолокация малоэффективна еще и потому, что при контроле толщины отложений в трубах трудно отстроиться от ложных эхо-сигналов, а также потому что сложная и дорогая в изготовлении, громоздкая и требующая высокой квалификации персонала при обслуживании ультразвуковая аппаратура более пригодна для массовых измерений в стационарных условиях.

Принципиально прост способ определения дефектных по толщине участков стенки какого-либо объекта, основанный на нагреве контролируемой стенки с одной стороны и измерения температурного поля с другой (авт.св. СССР N 972367).

Однако этот способ может дать удовлетворительные для практики результаты только при условии действительно равномерного распределения температур по одну сторону контролируемой стенки. При этом предпочтительно, чтобы нагрев производился в импульсном режиме, а определение температурного поля с другой стороны стенки происходило за время, существенно меньшее времени кондуктивного перераспределения тепла по ее площади. Но и при выполнении этих дополнительных условий для выявления изменений толщин стенок, на которых отлагаются равномерные по толщине и теплофизическим свойствам отложения или которые равномерно утоняются вследствие механического и/или химического износа, необходимо иметь эталоны для сравнения и регулярно использовать их для контроля.

Именно это требование учтено в заявке ЕПВ N 0304708, кл. G 01 N 25/72, 1989 г. которая была подана на способ контроля толщины стенок, зарастающих равномерными кольцевыми отложениями или равномерно изнашивающихся трубопроводов, устройство на основе инфракрасного тепловизора для осуществления способа.

Указанный способ предусматривает учет с помощью тепловизора различий тепловых потоков через стенку контролируемой трубы на ее подверженных и не подверженных зарастанию или износу участках.

Однако реально не подверженными зарастанию или износу могут быть лишь такие участки трубопроводов, которые специально оставлены в качестве эталонов для сравнения. Поэтому обеспечение одинакового теплового режима на зарастающих и не зарастающих отложениях /или изнашивающихся и не изнашивающихся/ участках реальных трубопроводов оказывается в большинстве случаев весьма сложной задачей, для решения которой необходимо привлечение дополнительных аппаратных и/или программных средств.

Если же учесть, что для осуществления этого и ранее описанного способов необходима сложная и дорогостоящая в изготовлении и обслуживании тепловизорная аппаратура, то становится ясно, что контроль толщин с наблюдением визуализированных температурных полей целесообразен лишь тогда, когда погрешности измерения могут повлечь за собой весьма тяжелые последствия (например, на атомных электростанциях).

Поэтому проблема создания простых, широко доступных и достаточно эффективных средств контроля толщины стенок по тепловым потокам остается актуальной.

Из числа известных частотных решений этой проблемы к предлагаемым наиболее близки способ измерения толщины и кондуктометрический датчик теплового потока, известные из описания изобретения и чертежей к авт.св. СССР N 1004758, кл. G 01 B 21/08, 1983.

Способ-прототип основан на учете теплового потока через контролируемую стенку и предусматривает: измерение перепада температуры по толщине эталонного термического сопротивления в виде пластины, прижатой снаружи к стенке объекта контроля, например, стекловаренной печи, имеющей изнутри изнашивающуюся футеровку; перепада температур между наиболее нагретым участком поверхности стекломассы, находящейся в печи, и окружающей средой и перепада температур между наружной поверхностью эталонного термосопротивления в виде пластины и окружающей средой; расчет коэффициента теплоотдачи от контролируемой стенки, суммарного коэффициента теплопередачи через контролируемую стенку; определение суммарного теплового сопротивления стенки по калибровочному графику; окончательный расчет толщин стенки по формуле, учитывающей указанные выше величины.

В приведенном выше описании способа-прототипа и далее в тексте описания группы взаимосвязанных изобретений термины "термическое сопротивление" (или сокращенно "термосопротивление") и "тепловое сопротивление" ("теплосопротивление") различаются по смыслу и не считаются синонимами. При этом первый термин служит для обозначения конструктивных элементов датчиков тепловых потоков, а второй для обозначения отношения перепада температур на произвольном конструктивном элементе к плотности теплового потока через этот элемент как теплофизической величины (или для случая исполнения термосопротивления в виде плоской пластины для обозначения отношения толщины пластины к удельной теплопроводности материала).

Кроме того, используемый далее термин "эталонное термосопротивление" обозначает такой выполняющий функцию термического сопротивления довольно произвольный по материалу и форме конструктивный элемент, тепловое сопротивление которого заведомо известно и стабильно во времени.

И, наконец, используемый ниже термин "перепад температур по толщине термосопротивления" означает разность температур в точках термосопротивления, разнесенных на известное (фиксированное) расстояние по направлению градиента температуры в термосопротивлении. В частном случае это может быть разность температур поверхностей плоского термосопротивления.

Кондуктометрический датчик теплового потока для осуществления известного способа имеет одно эталонное термосопротивление в виде жесткий пластины и четыре датчика температуры, образующие три дифференциальные пары, первая из которых состоит из датчиков, присоединенных к противоположным (прижимаемой к объекту и удаленной от объекта контроля) сторонам эталонного термосопротивления. Третий датчик предназначен для введения внутрь объекта контроля в зону максимума температур, а четвертый для измерения температуры воздуха снаружи объекта контроля. Вторая дифференциальная пара образована датчиками температур теплоносителя (стекломассы) и окружающей среды, а третья датчиками температуры наружной поверхности эталонной пластины и окружающей среды. Указанная пластина выполнена, в частности, в виде стального диска с круглой дискообразной заполненной оловом и ограниченной по периметру графитовым кольцом выемкой. При этом олово, подплавляемое при нагреве от объекта контроля и заполняющее микронеровности его стенки, служит для улучшения теплового контроля между этой стенкой и пластиной.

Описанные способ определения толщины стенки по тепловому потоку через нее и кондуктометрический датчик для осуществления этого способа просты и доступны.

Однако реальная возможность их практического применения и достоверность результатов контроля толщины существенно зависят от допустимости нарушения целостности стенок ради введения внутрь датчиков температуры и от состава и свойств технологических сред, находящихся внутри некоторых объектов контроля. Например, для большинства технологических трубопроводов в отличие от тепловых агрегатов типа стекловаренных печей герметичность является критическим параметром, нередко исключающим введение датчиков температуры сквозь их стенки, а многие промышленные аэрозоли и суспензии, расплавы или растворы способны вследствие абразивного износа или химико-термической коррозии вывести из строя или снизить чувствительность даже стандартных платиновых термопар.

Поэтому в основу изобретения положена задача путем изменения порядка измерения перепадов температур, данные о которых могут быть использованы для определения теплового потока через контролируемую стенку и ее толщины, и путем изменения состава и взаиморасположения частей датчика создать такой способ определения толщины стенок по тепловому потоку и такой кондуктометрический датчик для осуществления способа, которые обеспечивали бы достоверный контроль толщины стенок при одностороннем доступе к объекту контроля.

Поставленная задача решена тем, что в способе определения толщины стенки, основанном на учете теплового потока через контролируемую стенку и предусматривающем наложении на эту стенку эталонного термосопротивления, измерение трех перепадов температур, один из которых представляет собой перепад температур по толщине эталонного термосопротивления, и расчетное определение толщины стенки с учетом измеренных перепадов температур, согласно изобретению, на контролируемую стенку накладывают дополнительное отличное от первого по величине теплового сопротивления эталонное термосопротивление и измеряют второй перепад температур по его толщине, а третий перепад температур измеряют между фиксированными областями по толщине обоих эталонных термосопротивлений.

Указанное удвоение эталонных термосопротивлений само по себе было бы недостаточно для решения поставленной задачи, ибо только при новом неочевидном порядке измерения перепадов температур, обусловленное новым пространственным взаиморасположением эталонных термосопротивлений и датчиков температуры, достигается сверхсуммарный технический результат, а именно: исключается потребность в измерении температуры внутри огражденного контролируемой стенкой объема и обеспечивается определение ее толщины при одностороннем доступе к объекту контроля. При этом исключается влияние агрессивных сред, заполняющих огражденное стенкой пространство, на состояние аппаратных средств осуществления способа и соответственно повышается достоверность результатов контроля.

Здесь и далее термин "фиксированные области" обозначает либо внешние, либо внутренние поверхности, либо иные промежуточные отстоящие на фиксированных расстояниях от одних и тех же (внешних или внутренних по отношению к объекту контроля) поверхностей области в толще эталонных термосопротивлений, заданные изготовителем датчика.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что толщину стенки рассчитывают по формуле где ΔT₁, ΔT₂ и ΔT₃ соответственно перепады температур по толщине основного и дополнительного эталонных термосопротивлений и между фиксированными областями по толщине обоих термосопротивлений; λ, λ₁ и λ₂ соответственно удельные теплопроводности контролируемой стенки, основного и дополнительного эталонных термосопротивлений; δ₁ и δ₂ соответственно толщины основного и дополнительного термосопротивлений.

Этот частный случай реализации изобретательского замысла наиболее пригоден для контроля толщины отложений на внутренней стороне стенок зарастающих технологических трубопроводов или износа футеровки технологических агрегатов, поскольку тепловым сопротивлением металлической части таких стенок можно пренебречь без заметного ущерба для точности измерений.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что толщину стенки рассчитывают по формуле где часть символов имеет смысл, тождественный указанному выше, а третий измеряемый перепад температур ΔT^*₃ = T_t1-T_t2 где T_t1 и T_t2 соответственно температуры внутренних поверхностей основного и дополнительного эталонных термосопротивлений 1 и 2.

Этот частный случай реализации изобретательского замысла более прост в сравнении с предыдущим в части алгоритма расчета искомой толщины.

Поставленная задача решена также тем, что кондуктометрический датчик теплового потока, имеющий эталонное термосопротивление и четыре датчика температуры, которые образуют три дифференциальные пары и два из которых присоединены в областям, разнесенным по толщине эталонного термосопротивления, и образуют первую дифференциальную пару, согласно изобретению, снабжен вторым, дополнительным, отличным от первого по величине теплового сопротивления эталонным термосопротивлением, к разнесенным по толщине областям которого термически подключены два других датчика температуры, образующие вторую дифференциальную пару, а третья дифференциальная пара образована датчиками температуры фиксированных областей по толщине эталонных термосопротивлений.

На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик теплового потока на фоне стенки объекта контроля и условно показанного процессора для расчета толщины стенки; на фиг. 2 типовая эпюра распределения температур в поперечном сечении объекта контроля и эталонных термосопротивлений датчика теплового потока.

Предлагаемый датчик теплового потока имеет (фиг. 1): два различающихся по величине теплового сопротивления эталонных термических сопротивления 1 (основное) и 2 (дополнительное) и четыре датчика 3, 4, 5 и 6 температуры.

Указанные термосопротивления 1 и 2 обычно имеют вид пластин, способных плотно прилегать к плоским стенкам или плотно же облегать криволинейные стенки (в частности, потому что они изготовлены из гибких материалов, например, резины, металлической фольги и т.п.) и имеющих фиксированные геометрические характеристики (как минимум толщину) и фиксированную теплопроводность. Различие величин теплового сопротивления пластин может быть обеспечено либо их различной толщиной, если они изготовлены из одного и того же материала, либо изготовлением из материалов, различающихся по удельной теплопроводности.

Предпочтительно, чтобы все указанные датчики температуры имели вид термопар, которые попарно (3 и 4, 5 и 6) объединены в дифференциальные термопары для измерения перепадов температур между фиксированными областями по толщине термических сопротивлений 1 и 2. При этом датчики 4 и 6, присоединенные к фиксированным областям термосопротивлений 1 и 2, например, к их внешним сторонам, также должны быть соединены по дифференциальной схеме для определения перепада температур между указанными сторонами. При малых (порядка нескольких Кельвинов) перепадах температур наиболее предпочтительно использование батарейных дифференциальных термопар (гипертермопар), элементы (группы спаев) которых будет служить указанными датчиками 3, 4, 5 и 6 температуры.

Возможно использование в качестве датчиков 3, 4, 5, 6 температуры полупроводниковых термодиодов или терморезисторов. В таких случаях получение указанных ниже разностных сигналов может быть обеспечено общеизвестными средствами их внешней обработки в дополнительных блоках (вторичных приборах).

Для пояснения принципа действия предлагаемого датчика в приведенном ниже описании способа определения толщины стенки какого-либо объекта контроля на фиг. 1 дополнительно показаны: упомянутый объект, в частности, в виде зарастающей изнутри кольцеобразными отложениями трубы, имеющей составную стенку в виде металлической оболочки 7 и слоя отложений 8 переменной во времени (но относительно равномерной по периметру и длине трубы 7) толщины;
внешний по отношению к датчику теплового потока блок 9 (процессор) обработки первичных сигналов, реализующий по меньшей мере один из возможных нижеописанных алгоритмов расчета толщины стенки в соответствии с предложенным способом;
10 (рабочая жидкая или газообразная среда) и 11 (обычно воздух) как теплоносители по обе стороны стенки объекта контроля в виде трубы 7 с отложениями 8.

Специальные символы на фиг. 1 и 2 имеют следующие значения:
δ₁ и δ₂ соответственно толщины эталонных термосопротивлений 1 и 2,
δ толщина контролируемого слоя отложений 8,
d_t толщина теплопроводной (металлической) стенки 7,
T₁ элиминируемая в расчетах толщины контролируемой стенки температура текущей среды (теплоносителя) в пространстве, огражденном контролируемой стенкой,
T₂ температура окружающей среды,
T_W1 температура наружной поверхности основного эталонного термосопротивления 1,
T_W2 температура наружной поверхности дополнительного эталонного термосопротивления 2,
DT₁ перепад температур между фиксированными областями по толщине, например между внутренней и наружной поверхностями основного эталонного термосопротивления 1,
ΔT₂ перепад температур между фиксированными областями по толщине, например между внутренней и наружной поверхностями дополнительного эталонного термосопротивления 1,
ΔT₃ разность температур фиксированных областей по толщине, например наружных поверхностей основного и дополнительного эталонных термосопротивлений 1 и 2.

В дальнейшем при подобном описании способа измерения толщины стенок и примеров его осуществления указанные символы использованы в тех же значениях.

Предлагаемый способ определения толщины подверженной зарастанию или износу стенки в общем случае сводится к следующей совокупности операций.

На внешнюю сторону стенки 7 с обеспечением плотного термического контакта накладывают на некотором расстоянии одно от другого два эталонных термосопротивления 1 и 2 с попарно термически подключенными к ним датчиками 3 и 4, 5 и 6 температуры.

Поскольку датчики 3 и 4, 5 и 6, 4 и 6 температуры включены дифференциально либо непосредственно, как это показано на фиг. 1, либо через цепи последующего преобразования сигналов в блоке (процессоре) 9, как это технически возможно, поскольку в автоматическом режиме происходит измерение трех перепадов температур: ΔT₁, ΔT₂ и ΔT₃
Измеренные значения перепадов температур используют для расчета искомой толщины стенки в соответствии с алгоритмом, реализуемым в блоке 9.

Этот алгоритм предусматривает обработку первичных сигналов, вырабатываемых датчиками 3, 4, 5 и 6 температуры на основе соотношения, выводимого из известных формул для плотностей тепловых потоков q₁ и q₂ через эталонные термосопротивления 1 и 2.

При выводе этого соотношения для случая, непосредственно показанного на фиг. 1 и 2, многослойные системы, состоящие, в частности, из стенки тубы 7, слоя 8 отложений и термосопротивлений 1 или 2, для упрощения полагали плоскими. Также для упрощения пренебрегали термическими сопротивлениями материала трубы 7 (обычно стали, гораздо более теплопроводной в сравнении с материалом отложений) и пограничного слоя потока теплоносителя 10. Последнее допустимо потому, что в представляющих практический интерес случаях этот пограничный слой либо обладает высокой теплопроводностью подобно металлическим расплавам, либо подобно воде и водным растворам солей характеризуется высоким коэффициентом теплоотдачи к внутренней стороне слоя 8 отложений, существенно превышающим коэффициент теплоотдачи от внешней стороны стенки трубы 7 к воздуху.

Имеем:

где a коэффициент теплоотдачи к теплоносителю 11,
λ₁, λ₂ и λ соответственно коэффициенты теплопроводности материалов эталонных термосопротивлений 1 и 2 и контролируемого слоя 8 отложений.

Остальные обозначения пояснены выше.

Исключая отсюда не определяемую (вследствие отсутствия доступа к теплоносителю 10) температуры T₁ и также не определяемую в силу ненужности температуру воздуха, имеем:

Чтобы исключить отсюда коэффициент теплоотдачи a от термосопротивлений 1 и 2 к теплоносителю 11, учтем, что

где как было указано выше, температуры поверхностей термосопротивлений 1 и 2 со стороны теплоносителя 11
Отсюда

Подставляя (5) в (3), имеем

где ΔT₃ = Tat₁-Tat₂ и учтено, что
Как видно из выражения (7), для определения δ действительно достаточно измерить три перепада температур DT₁, ΔT₂ и ΔT₃ При этом не требуется информации о температурах теплоносителей, а все необходимые измерения выполняются со стороны, доступной для установки эталонных термосопротивлений поверхности объекта контроля.

Из выражения (7) следует, что введенный в формулу изобретения признак различных величин тепловых сопротивлений эталонных термосопротивлений существенен, так как его отсутствие в совокупности признаков привело бы к обращению выражения (7) в неподдающуюся раскрытию неопределенность вида 0/0.

Первым примером конкретной реализации изобретательского замысла могут служить результаты экспериментов по определению толщины отложений в стальном трубопроводе с наружным диаметром 200 мм, толщиной стенки δ_τ = 10 мм и удельной теплопроводностью l_τ = 48 Вт/мК Средние температуры теплоносителя 10 (воды) в трубе 7 и теплоносителя 11 (окружающего воздуха) составляли соответственно T₁ 70^oC, T₂ 20^oC. Термосопротивления 1 и 2 были выполнены в виде гибких ("резиновых") пластин и имели следующие параметры: l₁ = λ₂ = 0,15 Вт/м К, δ₁ = 1,5 мм, δ₂ = 15 мм Соответствующие тепловые сопротивления пластин различались на порядок δ₁/λ₁ = 0,01 м²К/Вт, δ₂/λ₂ = 0,01 м²К/Вт Отложения в модельном образце трубопровода имели толщину δ 30 мм и удельную теплопроводность l 1,5 Вт/м К.

В рассматриваемых условиях толщина объекта контроля, строго говоря, складывается из толщин стенки трубы и слоя отложений внутри нее. Однако поскольку тепловые сопротивления этих слоев различаются на два порядка / d/λ = 0,02, а δ_τ/λ_τ = 0,0002 м² К/Вт/, поскольку толщина, определяемая по формуле /7/, с достаточной для практики точностью характеризует толщину слоя отложений.

Измеренные перепады температур в рассматриваемом случае составили DT₁ = 10 C, ΔT₂ = 36 C, ΔT₃ = 13 C а искомая толщина, определенная по /7/:
δ [1,5(36-10-13)] /[0,15 10/0,0015 0,15 36/0,015] 1,5 13/(1000-360) 0,0305 м.

В данном случае погрешность, связанная с пренебрежением тепловым сопротивлением стальной стенки трубы, составила 1,7% в сравнении с истинным значением.

Таким образом, в эксперименте с достаточной точностью определена толщина слоя отложений на внутренней поверхности трубопровода.

В качестве второго примера конкретной реализации изобретательского замысла может быть рассмотрен алгоритм обработки первичных сигналов датчиков температуры в условиях, не допускающих пренебрежения тепловым сопротивлением стенки 7 трубы, например, в силу повышенных требований к точности измерения толщины слоя 8 (фиг. 1).

В этом случае в знаменателе каждого из исходных соотношений (1) и (2) для плотностей тепловых потоков q₁ и q₂ следует включить в качестве дополнительных слагаемых величину теплового сопротивления стенки 7 трубы d_τ/λ_τ После преобразования модифицированных таким образом исходных соотношений, аналогичных приведенным выше, вместо соотношения (7) для толщины слоя 8 получим соотношение:

Как видно, учет теплового сопротивления стенки 7 трубы сводится к появлению аддитивной поправки в алгоритме, описываемом полученным выше выражением (7).

При использовании этого алгоритма при обработке данных эксперимента, представленных выше в первом примере конкретной реализации, величина поправочного члена составила 0,01/48 0,00031 м, а рассчитываемая по соотношению (8) толщина слоя отложений равна d 0,0305 -0,00031 0,0302 м.

Как следует из сравнения этой величины с истинной толщиной отложений в экспериментальном образце трубопровода (30 м), использование алгоритма, описываемого соотношением (8), действительно позволило снизить погрешность метода.

В качестве третьего примера конкретной реализации изобретательского замысла рассмотрим вариант, при котором в качестве "фиксированных областей термосопротивлений" приняты не наружные (как в примерах 1 и 2), а внутренние, обращенные к объекту контроля, поверхности обоих термосопротивлений.

Заметим, что в этому случае исходные соотношения (1) и (2) а также выкладки, сделанные для получения соотношения (6) остаются в силе, но в самом соотношении (6) разность температур DT₃ = Tat₁-Tat₂ необходимо выразить через измеряемую разность температур ΔT^*₃ = Tt₁-Tt₂ где T_t1 и T_t2 соответственно температуры внутренних поверхностей термосопротивлений 1 и 2 с учетом очевидных соотношений
Tt₁ = Tat₁+Δt₁, Tt₂ = Tat₂+ΔT₂ (9)
из выражения (6) находим:

Данное выражение задает алгоритм обработки первичных сигналов датчиков температуры для рассмотренного варианта из размещения.

Наконец, в качестве четвертого примера конкретной реализации изобретательского замысла рассмотрим применение способа и датчика для контроля толщины однослойной стенки трубы, которая может изнашиваться, например, вследствие механической, химической или термохимической эрозии.

Для этого случая в знаменателях исходных соотношений (1) и (2) слагаемые δ/λ необходимо заменить на d_τ/λ_τ После преобразований, аналогичных проделанным выше при выводе соотношения (7), находим выражение, задающее для этого случая алгоритм обработки первичных сигналов:

При реализации датчика для рассматриваемой области применения целесообразно /для сохранения на приемлемом уровне точности измерений/ принять меры к уменьшению теплового сопротивления многослойной системы, состоящей из стенки трубы, термосопротивлений 1 или 2 и пограничного слоя окружающей среды. С этой целью для эксперимента с участком стального трубопровода (λ_τ = 48 Вт/м К) с наружным диаметром 210 и толщиной стенки 9 мм выбраны термосопротивления в виде пластин из поливинилхлорида с наполнителем, имеющие удельную теплопроводность l₁ = λ₂ 0,87 Вт/м К, толщиной δ₁ = 0,4 мм, δ₂ = 1,2 мм По трубопроводу прокачивали воду с температурой T₁ 63^oC, снаружи на ней были закреплены снабженные батарейными термопарами термосопротивления, которые обдували воздухом с температурой T₂ 18^oC.

Измеренные перепады температур составили: ΔT₁ = 6,18 C, ΔT₂ = 14,55 C, ΔT₃ = 7,83 C В результате обработки первичных данных согласно выражению (11) имеем:

Как видно, результат измерений хорошо согласуется с истинным значением толщины стенки (9 мм).

Формула изобретения

1. Способ определения толщины стенки, основанный на учете теплового потока через контролируемую стенку и предусматривающий наложение на эту стенку эталонного термосопротивления, измерение трех перепадов температур, один из которых представляет собой перепад температур по толщине эталонного термосопротивления, и расчетное определение толщины стенки с учетом измеренных перепадов температур, отличающийся тем, что на контролируемую стенку накладывают дополнительное отличное от первого по величине теплового сопротивления эталонное термосопротивление и измеряют второй перепад температур по его толщине, а третий перепад температур измеряют между фиксированными областями по толщине обоих эталонных термосопротивлений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину стенки рассчитывают по формуле

где ΔT₁, ΔT₂ и ΔT₃- соответственно перепады температур по толщине основного и дополнительного эталонных термосопротивлений и между фиксированными областями по толщине обоих эталонных термосопротивлений;
λ, λ₁ и λ₂- соответственно удельные теплопроводности контролируемой стенки, основного и дополнительного эталонных термосопротивлений;
δ₁ и δ₂- соответственно толщины основного и дополнительного эталонных термосопротивлений.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину стенки рассчитывают по формуле

где ΔT^*₃ = T_t1-T_t2, где T_t1 и T_t2- соответственно температуры внутренних поверхностей основного и дополнительного эталонных термосопротивлений;
ΔT₁ и ΔT₂- соответственно перепады температур по толщине основного и дополнительного эталонных термосопротивлений;
λ, λ₁ и λ₂- соответственно удельные теплопроводности контролируемой стенки, основного и дополнительного эталонных термосопротивлений;
δ₁ и δ₂- соответственно толщины основного и дополнительного эталонных термосопротивлений.

4. Кондуктометрический датчик теплового потока, имеющий эталонное термосопротивление и четыре датчика температуры, которые образуют три дифференциальные пары и два из которых присоединены к областям, разнесенным по толщине эталонного термосопротивления и образуют первую дифференциальную пару, отличающийся тем, что он снабжен вторым, дополнительным, отличным от первого по величине теплового сопротивления, эталонным термосопротивлением, к двум разнесенным по толщине областям которого термически подключены два других датчика температуры, образующие вторую дифференциальную пару, а третья дифференциальная пара образована датчиками температуры фиксированных областей по толщине основного и дополнительного эталонных термосопротивлений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2