CS255113B1

CS255113B1 - Equipment for measuring high temperatures in an aggressive environment!

Info

Publication number: CS255113B1
Application number: CS862001A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Mach; Vaclav Chrz; Josef Jindra; Josef Filip
Original assignee: Miroslav Mach; Vaclav Chrz; Josef Jindra; Josef Filip
Priority date: 1986-03-21
Filing date: 1986-03-21
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS200186A1

Abstract

Zařízení k měření vysokých teplot v agresivním prostředí termočlánkem nebo odporovou sondou, umožňující spolehlivou funkci při teplotách až do blízkosti 2 000 °C při přetlaku kolem 5 MPa, např. v reaktorech pro zplyňování těžkých olejů, Čehož je dosaženo tím, že termočlánkový nebo odporový měřicí systém je vložen do jednostranně uzavřeného monokrystalického safírového pouzdra, do něhož je suvně těsně vložena kapilární trubice bu3 safírová, nebo keramická, vodiče měřicího systému, procházející otvory kapilární trubice jsou v nich na vnějším konci kapilární trubice hermeticky utěsněny pájením a rovněž pájením je hermeticky spojeno pouzdro s kapilární trubicí v místě jejího výstupu.A device for measuring high temperatures in aggressive environments using a thermocouple or resistance probe, enabling reliable operation at temperatures up to 2,000 °C at an overpressure of around 5 MPa, e.g. in reactors for gasification of heavy oils. This is achieved by inserting the thermocouple or resistance measuring system into a single-sided closed monocrystalline sapphire housing, into which a capillary tube, either sapphire or ceramic, is slidably inserted. The conductors of the measuring system passing through the openings of the capillary tube are hermetically sealed by soldering at the outer end of the capillary tube, and the housing is also hermetically connected to the capillary tube at its outlet by soldering.

Description

Vynález se týká zařízení pro termoelektrické nebo odporové měření vysokých teplot v chemicky agresivním prostředí, případně za zvýšeného nebo sníženého tlaku.The invention relates to a device for thermoelectric or resistive measurement of high temperatures in a chemically aggressive environment, optionally under increased or reduced pressure.

Měření pracovních teplot pomocí termočlánků nebo odporových sond předpokládá, že materiál měřicího čidla nebude chemicky napadán okolním prostředím, což se stává zvláště za vysokých měřených teplot. V agresivním prostředí se materiál měřicího čidla snadno narušuje a ztrácí funkci, případně se leguje a podává pak nesprávné údaje. Známa j.e ochrana čidla pouzdrem z odolného materiálu, například kovu nebo keramiky. Vysoké teploty nad 1 000 °C a výše ovšem podstatně omezují výběr materiálu kovového pouzdra a navíc je nutno pouzdro elektricky izolovat od kontaktu s čidlem. Přitom nelze zabránit postupnému legování materiálu čidla parami kovu z pouzdra.Measurement of working temperatures using thermocouples or resistance probes assumes that the sensor material will not be chemically attacked by the surrounding environment, which happens especially at high measured temperatures. In an aggressive environment, the sensor material is easily disturbed and loses its function, possibly alloyed and incorrect data is given. It is known to protect the sensor with a housing made of a durable material such as metal or ceramic. However, high temperatures above 1000 ° C and above considerably limit the choice of material of the metal housing, and in addition, the housing must be electrically insulated from contact with the sensor. It is not possible to prevent gradual alloying of the sensor material with metal vapors from the housing.

Průlinčitost keramiky, která se používá na pouzdra temočlánků je dobře známa, stejně jako její relativně nízká tepelná a mechanická odolnost, což vylučuje její použití. Ale i nejkvalitnější keramika, například korundová, má teplotní použitelnost omezenou, nebot s teplotou rychle ztrácí pevnost v ohybu, narůstá difúze okolního agresivního prostředí do keramiky a s keramikou a rychle a podstatně se tak zhoršují její mechanické a elektroizolační vlastnosti až do stadia nepoužitelnosti. Přistoupí-li k parametrům okolního prostředí ještě vysoký tlak, nežádoucí pochod difúze se dále urychluje a v krátké době pak dochází k likvidaci termočlánku či odporové sondy, uvnitř navinuté na podložce. Při přímém tlakově izolovaném průchodu pouzdra do beztlakového prostředí hrozí navíc nebezpečí, že po ztrátě pevnosti pouzdra může dojít k eruptivnímu úniku tlakového prostředí.The porosity of the ceramics used on the casings of the thermocouples is well known, as is its relatively low thermal and mechanical resistance, which excludes its use. However, even the highest quality ceramics, such as corundum, have limited thermal usability, as they rapidly lose their bending strength with temperature, the diffusion of the surrounding aggressive environment into the ceramics and ceramics increases, and its mechanical and electrical insulation properties deteriorate rapidly and substantially up to the point of non-applicability. If high pressure is applied to the environmental parameters, the unwanted diffusion process is further accelerated and in a short time the thermocouple or resistive probe, wound inside, is discarded. In addition, the direct pressure-insulated passage of the housing into the non-pressurized environment risks the eruptive leakage of the pressure medium after loss of strength of the housing.

Uváděné nedostatky při termočlúnkovém nebo odporovém měření vysokých teplot v agresivním, případně i tlakovém prostředí, odstraňuje zařízení podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že terniočlánkový nebo odporový měřicí systém je izolovaně vložen do jednostranně uzavřeného monokrystalického safírového pouzdra, do kterého je na vzdálenost 0,003 až 0,007 dílů délky pouzdra těsně suvně vložena safírová nebo keramická dvou- či víceotvorová kapilární trubice, hermeticky spojená pájením se safírovým pouzdrem v místě vstupu trubice do pouzdra, přičemž přívodní vodiče měřicího systému procházejí podélnými otvory kapilární trubice a jsou v nich na vnějším konci trubice hermeticky utěsněny pájením.The above-mentioned shortcomings in thermocouple or resistive measurement of high temperatures in aggressive or possibly pressurized environment are eliminated by the device according to the invention, which consists in that the ternary-cell or resistive measuring system is insulated in a single-sealed monocrystalline sapphire case. sapphire or ceramic two- or multi-hole capillary tube hermetically bonded by soldering to a sapphire sleeve at the point of entry of the tube into the sleeve, the lead-in conductors of the measuring system pass through the longitudinal orifices of the capillary tube and are hermetically external to the tube sealed by soldering.

Zařízením podle vynálezu lze měřit vysoké teploty až do bodu maximální pracovní teploty safírového pouzdra, která se blíží 2 000 °C, za zvýšeného tlaku v agresivním prostředí. Například při teplotách kolem 1 500 °C lze spolehlivě použít zařízení pro přetlak 5 MPa. Moriokrystalický safír nemá porézitu, má enormě vysoký elektrický odpor, vysokou tepelnou vodivost a vynikající chemickou odolnost a to i při vysokých teplotách. Výhodná je i jeho transparence pro záření vlnových délek od ultrafialové do blízké infračervené oblasti, takže materiál termočlánku nebo odporové sondy se může teplotně velmi rychle přizpůsobit teplotě měřeného prostředí a tím se zvětšuje i rychlost reakce snímacího, respektive regulačního systému teploty.With the apparatus of the invention, high temperatures can be measured up to a maximum working temperature point of the sapphire sheath that is close to 2,000 ° C under increased pressure in an aggressive environment. For example, pressures of 5 MPa can be reliably used at temperatures around 1500 ° C. Moriocrystalline sapphire has no porosity, has enormously high electrical resistance, high thermal conductivity and excellent chemical resistance, even at high temperatures. Its transparency is also advantageous for radiation of wavelengths from the ultraviolet to the near infrared region, so that the thermocouple or resistive probe material can adapt very quickly to the temperature of the measured environment and thus increase the reaction rate of the sensing and / or temperature control system.

V dalším, ve spojení s připojeným výkresem, je vynález dále popsán, jako jedno z jeho možných provedení.In the following, in conjunction with the accompanying drawing, the invention is further described as one of its possible embodiments.

Na výkrese je v řezu zobrazeno monokrystalické safírové pouzdro 2.' dvouotvorová kapilární trubice 2/ termočlánek 2, izolační safírová trubička vodiče 2 měřicích systému, zátavy 6. vodičů 2 ^a zátav J7 hermeticky spojující kapilární trubici 2 s monokrystalickým safírovým pouzdrem 2·In the drawing, a single crystal sapphire sheath 2 is shown in cross-section. two-hole capillary tube 2 / thermocouple 2, insulating sapphire tube of conductor 2 of the measuring system, 6th of conductor 2 ^and 6th of J7 hermetically connecting the capillary tube 2 to the single crystal sapphire sleeve 2 ·

Jedno zcela konkrétní provedení je ještě dále popsáno:One specific embodiment is described below:

V monokrystalickém safírovém pouzdru 2 ^s vnějším průměrem 6,5 + 0,2 mm a tlouštce stěny 0,8 mm a délce 420 mm je vložen PtRh 6% až PtRh 30% termočlánek 2 ^s jedním vodičem izolovaným safírovou trubičkou £ o vnějším průměru 2,2 +0,2 mm a tlouštce stěny 0,8 mm o délce 400 mm. Do pouzdra 2 3^e P° vložení termočlánku 2 zasunuta na délku 10 mm dvojkapilární trubice 2 z jakostní korundové keramiky o vnějším průměru 4,5 mm, jejímiž otvory procházejí vodiče 5, které na výstupu z kapilární trubice 2 jsou zataveny zátavy 2 keramickou pájkou. Stejnou pájkou je hermeticky zataven spoj 7_ mezi pouzdrem 2 a zasunutou kapilární trubicí 2. Takto vzniklý termočlánek byl schopný vzdorovat dlouhodobě tlakům minimálně 5 MPa a při teplotě 1 500 °C v agresivním prostředí, například reaktoru pro zplyňování těžkých olejů, zatímco jiné termočlánky byly během několika dnů zkorodovány a vyřazeny.In a single crystal sapphire case 2 ^with an outer diameter of 6.5 + 0.2 mm and a wall thickness of 0.8 mm and a length of 420 mm, a PtRh 6% to PtRh 30% thermocouple 2 ^with one conductor insulated sapphire tube 6 having an outer diameter 2 is inserted. 2 + 0.2 mm and a wall thickness of 0.8 mm with a length of 400 mm. The thermocouple 2 is inserted into the housing 2 3 ^e for a length of 10 mm of a two-capillary tube 2 of high-quality corundum ceramic with an external diameter of 4.5 mm, through which openings pass through conductors 5 which are sealed with ceramic solder at the outlet of the capillary tube. The same solder is hermetically sealed joint 7 between housing 2 and inserted capillary tube 2. The thermocouple thus formed was able to withstand long term pressures of at least 5 MPa and at 1500 ° C in an aggressive environment such as a heavy oil gasification reactor while other thermocouples were a few days corroded and discarded.

Claims

Apparatus for measuring high temperatures in an aggressive environment, characterized in that the thermocouple or resistive measuring system is insulatedly inserted into a single-sided sealed monocrystalline sapphire case (1) into which a sapphire sapphire is tightly inserted over a distance of 0.003 to 0.997 parts of the case length (1). or a ceramic at least two-hole capillary tube (2), hermetically connected by soldering to the housing (1) at the point of entry of the capillary tube (2) into the housing (1), the supply conductors (5) of the measuring system passing through the longitudinal holes of the capillary tube (2) in them at the outer end of the capillary tube (2) hermetically sealed by soldering.