PL225720B1 - Czujnik termoparowy do pomiaru szybkozmiennej temperatury płynu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest czujnik termoparowy do pomiaru szybkozmiennej temperatury płynu, charakteryzujący się krótkim czasem reakcji na zmiany temperatury płynu, zwłaszcza przepływ ającego z dużą prędkością i pod wysokim ciśnieniem.

Dokładny pomiar szybkozmiennej temperatury przepływającego płynu jest niezbędny do prowadzenia i optymalizacji wielu procesów przemysłowych. Przykładowo, precyzyjny pomiar nieustalonej temperatury wody, pary wodnej lub spalin jest bardzo ważny w warunkach rozruchu, wyłączania z ruchu lub zmiany obciążenia bloku energetycznego. Znajomość temperatury płynu, która zmienia się w czasie jest również konieczna przy wyznaczaniu naprężeń cieplnych w elementach ciśnieniowych kotłów i turbin, gdzie doprowadzenie płynu do zbyt wysokiej temperatury może być przyczyną znac znego obniżenia trwałości tych elementów.

Do najbardziej rozpowszechnionych przyrządów służących do pomiaru temperatury należą czujniki zawierające termoelementy płaszczowe. Odznaczają się one szerokim zakresem mierzalnej temperatury oraz możliwością dopasowania do panujących warunków i potrzeb. W praktyce przemysłowej są one oferowane przez wiele firm i opisane w katalogach produktów. Między innymi czujniki temperatury przedstawione w katalogu firmy Limatherm Sensor zawierają termoelement płaszczowy w postaci cienkiej metalowej rurki zwanej płaszczem, przez którą przewleczone są druty termoparowe połączone na końcach spoiną pomiarową i która jest napełniona masą izolacyjną ze sprasowanego proszku magnezu. Spoina może być odizolowana od płaszcza lub wspawana w denko. Dla ochrony termoelementu przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływem otoczenia stosuje się osłonę ochronną w kształcie metalowej rury. Ponadto na górnym końcu czujnik na ogół wyposażony jest w głowicę z zaciskami przyłączeniowymi.

Znany jest z polskiego opisu wynalazku PL400214 A1 czujnik termoelektryczny wysokotemperaturowy. Czujnik zawiera metalową osłonę rurową z denkiem i umieszczoną w niej termoparę, której termoparowe druty prowadzone są w elektroizolacyjnej dwukanałowej ceramicznej rurce. Pomiędzy spoiną pomiarową, a rurką występuje szczelina powietrzna. W roboczej części ochronnej metalowej rurki umieszczone jest połączone z nią nierozłącznie denko, w którym wykonane jest nieprzelotowe gniazdo o kształcie złożonym z połączenia stożka ściętego z cylindryczną częścią i drugim stożkiem ściętym. Elektroizolacyjna ceramiczna rurka opiera się krawędziami dolnego końca na wewnętrznej powierzchni stożka, a pomiarowa spoina termopary sytuowana jest w cylindrycznej części gniazda. Denko od wewnętrznej strony ma kołnierz i połączone jest z osłoną rurową w obwodowej szczelinie przez zgrzewanie albo przez spawanie.

Czujniki przemysłowe stosowane do pomiaru płynów przepływających pod wysokim ciśnieniem zwykle zawierają masywną osłonę oraz warstwy izolacyjne, które chronią termoparę przed mechanicznym i chemicznym działaniem płynu oraz eliminują jej drgania wywołane wirami Karmana. Jednakże opóźnienie czasowe wskazań czujników w stosunku do temperatury płynu jest duże, ponieważ szybkość przekazywania ciepła od osłony do spoiny pomiarowej maleje podczas przejścia przez grubą ściankę osłony, a następnie warstwę izolacji ze sproszkowanego tlenku magnezu lub szczelinę powietrzną.

Celem wynalazku jest skrócenie czasu reakcji czujnika termoparowego na szybkozmienną temperaturę przepływającego płynu, poprzez konstrukcyjne nadanie końcówce pomiarowej w strefie spoiny wysokiego współczynnika przenikania ciepła.

Czujnik termoparowy do pomiaru szybkozmiennej temperatury płynu według niniejszego wyn alazku, podobnie jak w znanych rozwiązaniach, zawiera osłonę rurową z przyspawaną na dolnym końcu pomiarową końcówką w postaci stalowego walca z współosiowym, nieprzelotowym otworem, w którym osadzony jest termoelement płaszczowy z izolowaną lub uziemioną spoiną pomiarową, a na końcu górnym ma zamocowaną do osłony rurowej głowicę z zaciskami przyłączeniowymi.

Istota rozwiązania polega na tym, że otwór w pomiarowej końcówce ma średnicę większą o 8 do 12% od zewnętrznej średnicy termoelementu płaszczowego, a ponadto połączony jest z otworem w osłonie rurowej, przez co najmniej jedną powierzchnię stożkową o kącie wierzchołkowym mniejszym od 90° i chropowatości Rz < 10.

PL 225 720 B1

Korzystnie spoina pomiarowa termoelementu płaszczowego usytuowana jest w strefie połowy wysokości otworu w pomiarowej końcówce i ustalona klejem wysokotemperaturowym.

Korzystnym jest również wykonanie, w którym przestrzeń w strefie ponad pomiarową końcówką między osłoną rurową, a termoelementem płaszczowym wypełniona jest sprasowanym proszkiem mineralnym, zwłaszcza tlenku magnezu MgO.

Czujnik według wynalazku może być również wykonany z przelotowym otworem w pomiarowej końcówce, który zamknięty jest na końcu przyspawanym korkiem.

Czas reakcji czujnika stanowiącego przedmiot wynalazku jest od kilku do kilkunastu razy krótszy od czasu reakcji czujników dostępnych w handlu. Minimalizacja szczeliny powietrznej o właściwościach termoizolacyjnych, występującej pomiędzy zewnętrzną powierzchnią termoelementu płaszczowego, a wewnętrzną powierzchnią pomiarowej końcówki nadaje strefie końcówki pomiarowej wyższy współczynnik przenikania ciepła. Dzięki temu czas reakcji czujnika według wynalazku na szybką zmianę temperatury przepływającego płynu ulega znacznemu skróceniu. Po połączeniu czujnika do elektronicznej jednostki przetwarzania danych, przeprowadzana jest korekcja mierzonej temperatury w trybie on-line z wykorzystaniem faktu, że pomiar realizowany jest w osi pełnego cylindra. Montaż termopary płaszczowej do otworu o bardzo małej szczelinie, ułatwiony jest przez wykonanie w końcówce pomiarowej centrujących powierzchni stożkowych.

Przedmiot wynalazku wyjaśniony jest opisem przykładowego wykonania czujnika z izolowaną końcówką pomiarową pokazanego na rysunku, którego fig. 1 przedstawia czujnik w widoku z boku z częściowym przekrojem osiowym przez strefę końcówki pomiarowej oraz w dwóch wykonaniach po lewej i prawej stronie osi, fig. 2 - przekrój poprzeczny według linii A-A, fig. 3 - schemat układu pomiarowego, a fig. 4 - wykres zmian w czasie temperatury rzeczywistej przepływającego płynu, temperatury zmierzonej czujnikiem według wynalazku, temperatury wyznaczonej po obróbce danych oraz strumienia masy.

Czujnik termoparowy 10 zawiera osłonę rurową 1 z przyspawaną na dolnym końcu pomiarową końcówką 2 w postaci stalowego walca z współosiowym, nieprzelotowym otworem, w którym osadzony jest dostępny na rynku termoelement płaszczowy 3 produkcji Limatherm Sensor, o średnicy zewnętrznej d = 1 mm z izolowaną spoiną pomiarową 4. Termoelement płaszczowy 3 wsunięty jest do otworu D o średnicy 1,1 mm w pomiarowej końcówce 2 na głębokość, przy której spoina pomiarowa 4 termoelementu płaszczowego 3 usytuowana jest w połowie jego wysokości. Położenie to ustalone jest klejem wysokotemperaturowym 7, z uwagi na warunki pomiaru w zakresie napięć mikrowoltowych. Czynność współosiowego wsunięcia do otworu D termoelementu płaszczowego 3 ułatwiają wykonane w górnej części końcówki pomiarowej 2 powierzchnie stożkowe 6 o kącie wierzchołkowym α = 80° wykonane z małą chropowatością powierzchni Rz = 8. Ustalenie termoelementu płaszczowego 3 w osłonie rurowej 1 może być dokonane przez wypełnienie przestrzeni między osłoną rurową 1, a termoelementem płaszczowym 3 sprasowanym tlenkiem magnezu MgO. Czujnik jest wykonany z przelotowym otworem D w pomiarowej końcówce 2 zamkniętym przyspawanym korkiem 9. Na górnym końcu czujnik termoparowy ma zamocowaną do osłony rurowej 1 głowicę 5 z zaciskami przyłączeniowymi.

Przeprowadzono badania eksperymentalne czujnika podczas rozruchu kotła parowego. W skład układu pomiarowego wchodził przepływomierz 11, czujnik termoparowy 10, jednostka przetwarzania danych 12 oraz system monitorowania i akwizycji danych 13.

Na podstawie sygnałów napięcia czujnika termoparowego 10 oraz strumienia masy m, w oprogramowanej jednostce przetwarzania danych 12 przeprowadzono obliczenia, a wyniki wyznaczonej temperatury przepływającego płynu tc przekazano do systemu monitorowania i akwizycji danych 13. Obliczenia były oparte o współczynnik przenikania ciepła i wykorzystywały fakt, że pomiar realizowany był w osi pełnego cylindra, co z kolei uwarunkowane było konstrukcją czujnika termoparowego. Oprogramowanie jednostki przetwarzania danych 12 dokonało kompensacji temperatury spoiny odniesienia i nieliniowości charakterystyki przybliżeniem liniowym oraz korygowało stałą czasową ze zmianą prędkości przepływu płynu. Odczyt temperatury był bardzo szybki, a opóźnienie wskazań temperatury t_w płynu za pomocą czujnika termoparowego 10 było niewielkie w stosunku do temperatury rzeczywistej płynu tp (fig. 4).

Claims (4)

1. Czujnik termoparowy do pomiaru szybkozmiennej temperatury płynu, zawierający osłonę rurową z przyspawaną na dolnym końcu pomiarową końcówką w postaci stalowego walca z współosiowym, nieprzelotowym otworem, w którym osadzony jest termoelement płaszczowy z izolowaną lub uziemioną spoiną pomiarową, a na końcu górnym mający zamocowaną do osłony rurowej głowicę z zaciskami przyłączeniowymi, znamienny tym, że otwór w pomiarowej końcówce (2) ma średnicę (D) większą o 8 do 12% od zewnętrznej średnicy (d) termoelementu płaszczowego (3), a ponadto połączony jest on z otworem w osłonie rurowej (1) o średnicy (D_o) przez co najmniej jedną powierzchnię stożkową (6) o kącie wierzchołkowym (a) mniejszym od 90° i chropowatości Rz < 10.

2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że spoina pomiarowa (4) termoelementu płaszczowego (3) usytuowana jest w strefie połowy wysokości otworu (D) w pomiarowej końcówce (2) i ustalona klejem wysokotemperaturowym (7).

3. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w strefie ponad pomiarową końcówką (2), przestrzeń między osłoną rurową (1), a termoelementem płaszczowym (3) wypełniona jest sprasowanym proszkiem mineralnym (8), zwłaszcza tlenkiem magnezu MgO.

4. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że dolny koniec otworu pomiarowego (D) wykonanego w pomiarowej końcówce (2) jako przelotowy, zamknięty jest przyspawanym korkiem (9).