RU2522838C1

RU2522838C1 - Gas flow temperature gage

Info

Publication number: RU2522838C1
Application number: RU2012151745/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Смыслов; Сергей Алексеевич Суровикин; Андрей Николаевич Демин; Юрий Анатольевич Чайка; Анатолий Сергеевич Карташов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники"
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2012151745A

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: this device comprise thermocouple in metal case, its junction being located inside protective tip extending beyond said case. Thermocouple part extending beyond said case is composed by d-diameter metal tube terminated in flattened blade that makes the working thermal junction. Said metal tube features diameter decreasing towards said flattened blade that makes 0.4-0.5 d. said flattened blades has the following sizes: length - 0.3-0.4 d, width - 0.7-0.8 d, depth - 0.1-0.2 d. Said metal tube houses thermal conductors isolated one from another and from said tube changing over into flattened blade. Said conductors feature diameter decreasing proportionally with tube diameter and being constant inside said flattened blade. Said protective metal tip is perforated.

EFFECT: accelerated response, mechanical strength and resistance to gas dynamic loads of measured flow.

1 dwg

Description

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике.The invention relates to thermometry and can be used to measure the temperature of high-speed high-temperature processes in gas dynamics.

Известны устройства с высокотемпературными термопарами, способными без возобновления рабочего термоспая обеспечивать с допустимой погрешностью многократные измерения температуры среды до 1500-1600°С, которая обладает высоким механическим воздействием на термопару, если они будут снабжены защитными наконечниками (Данишевский Д.С., Сведе-Швец Н.И. Высокотемпературные термопары. М.: Металлургия, 1977, с.117 - 120).Known devices with high-temperature thermocouples that can, without resuming the working thermocouple, provide, with an acceptable error, multiple measurements of the ambient temperature up to 1500-1600 ° C, which has a high mechanical effect on the thermocouple if they are equipped with protective tips (Danishevsky D.S., Swede-Shvets NI, High-Temperature Thermocouples, Moscow: Metallurgy, 1977, pp. 117 - 120).

Однако известные устройства, хотя и обеспечивают защиту термопары от механических воздействий среды за счет введения защитных наконечников, но обладают невысоким быстродействием, т.к. введение защитных наконечников приводит к снижению теплообмена между термопарой и средой, температура которой подлежит измерению.However, the known devices, although they provide protection of the thermocouple from mechanical influences of the environment by introducing protective tips, but have a low speed, because the introduction of protective tips leads to a decrease in heat transfer between the thermocouple and the medium whose temperature is to be measured.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте РФ №2117265, кл. G01K 7/04, 1998 г.Of the known devices closest in technical essence to the claimed is the device described in the patent of the Russian Federation No. 21117265, class. G01K 7/04, 1998

Данное устройство представляет собой металлический блок, выполненный в виде соединенного с корпусом цилиндра с глухим продольным осевым каналом, в котором размещен рабочий спай термопары с защитным керамическим наконечником. Часть цилиндра выполнена выступающей за пределы корпуса. На его поверхности на расстоянии 0,3-0,4 ее длины от наружного торца цилиндра выполнена проточка. Конструкция устройства позволяет уменьшить теплоотвод от рабочего спая термопары к водоохлаждаемому корпусу, повысить механическую жесткость металлического блока, находящегося под воздействием высокой температуры и силы тяжести.This device is a metal block made in the form of a cylinder connected to the body with a blind longitudinal axial channel, in which a working junction of a thermocouple with a protective ceramic tip is placed. Part of the cylinder is made protruding beyond the housing. A groove is made on its surface at a distance of 0.3-0.4 of its length from the outer end of the cylinder. The design of the device allows to reduce the heat sink from the working junction of the thermocouple to the water-cooled body, to increase the mechanical stiffness of the metal block under the influence of high temperature and gravity.

Однако анализ прототипа выявляет существенный недостаток, который заключается в низком его быстродействии. Указанное обусловлено наличием керамического наконечника с низким коэффициентом теплопередачи от среды к термопаре, массивностью конструкции самой термопары и, соответственно, повышенной теплоемкостью и тепловой инерцией.However, the analysis of the prototype reveals a significant drawback, which is its low speed. This is due to the presence of a ceramic tip with a low coefficient of heat transfer from the medium to the thermocouple, the massive structure of the thermocouple itself and, accordingly, increased heat capacity and thermal inertia.

Ожидаемым техническим результатом настоящего изобретения является повышение быстродействия устройства.The expected technical result of the present invention is to increase the speed of the device.

Сформулированный результат достигается тем, что в устройстве для измерения температуры газовых потоков, содержащем термопару в металлическом корпусе, рабочий спай которой расположен внутри защитного наконечника, выступающего за пределы корпуса, отличающемся тем, что выступающая за пределы корпуса часть термопары выполнена в виде металлической трубки диаметром d, заканчивающейся уплощенной лопаткой, торец которой является термоспаем, металлическая трубка имеет уменьшающийся в сторону уплощенной лопатки диаметр, равный 0,4÷0,5 d непосредственно перед лопаткой, а уплощенная лопатка имеет следующие размеры: длина 0,3÷0,4 d, ширина 0,7÷0,8 d, толщина 0,1÷0,2 d, при этом внутри металлической трубки размещены термопроводы, изолированные друг от друга и от трубки, переходящей в уплощенную лопатку, и имеющие диаметр, уменьшающийся пропорционально уменьшению диаметра трубки и сохраняющийся постоянным внутри уплощенной лопатки, защитный наконечник выполнен металлическим и перфорированным.The formulated result is achieved in that in a device for measuring the temperature of gas flows containing a thermocouple in a metal case, the working junction of which is located inside the protective tip protruding outside the case, characterized in that the part of the thermocouple protruding outside the case is made in the form of a metal tube with a diameter d ending in a flattened blade, the end face of which is a heat seal, the metal tube has a diameter decreasing towards the flattened blade, equal to 0.4 ÷ 0.5 d directly in front of the blade, and the flattened blade has the following dimensions: length 0.3 ÷ 0.4 d, width 0.7 ÷ 0.8 d, thickness 0.1 ÷ 0.2 d, while inside the metal tube there are heat pipes, insulated from each other and from the tube passing into the flattened blade, and having a diameter that decreases in proportion to the decrease in the diameter of the tube and remains constant inside the flattened blade, the protective tip is made of metal and perforated.

На чертеже изображен общий вид устройства в разрезе.The drawing shows a General view of the device in section.

Устройство для измерения температуры газовых потоков содержит металлический корпус 1 термопары, защитный наконечник 2, металлическую трубку 3 диаметром d, выполненную из жаропрочного материала, обладающего стойкостью к высокотемпературной агрессивной среде и динамическим механическим нагрузкам (например из сплава ХН67МВТЮ), и лопатку 4. В торце лопатки 4 расположен рабочий термоспай 5. Трубка 3 выполнена таким образом, что на выходе из металлического корпуса 1 имеет уменьшающийся диаметр до 0,4÷0,5 d и далее переходит в уплощенную лопатку с длиной 0,3÷0,4 d, шириной 0,7÷0,8 d и толщиной 0,1÷0,2 d. Уменьшение диаметра трубки 3 до 0,4÷0,5 d обеспечивает снижение теплоемкости термопары и, как следствие, увеличение скорости теплопередачи от среды к рабочему термоспаю 5. Дополнительное увеличение коэффициента теплопередачи достигается за счет аэродинамического торможения на плоской части лопатки 4. Однако дальнейшее уменьшение диаметра трубки 3, а также увеличение площади лопатки 4 приводит к недопустимому снижению прочности конструкции Экспериментально установлено, что стабильная работа устройства достигается при вышеуказанных размерах.A device for measuring the temperature of gas flows comprises a metal housing 1 of a thermocouple, a protective tip 2, a metal tube 3 of diameter d made of a heat-resistant material that is resistant to high-temperature aggressive environments and dynamic mechanical stresses (for example, from KhN67MVTYu alloy), and a blade 4. At the end blades 4 is located working thermal junction 5. The tube 3 is made in such a way that at the outlet of the metal housing 1 has a decreasing diameter of 0.4 ÷ 0.5 d and then goes into a flattened blade with a length nd 0,3 ÷ 0,4 d, a width of 0.7 ÷ 0.8 d and thickness 0,1 ÷ 0,2 d. Reducing the diameter of the tube 3 to 0.4 ÷ 0.5 d provides a decrease in the heat capacity of the thermocouple and, as a result, an increase in the rate of heat transfer from the medium to the working heat seal 5. An additional increase in the heat transfer coefficient is achieved due to aerodynamic drag on the flat part of the blade 4. However, a further decrease the diameter of the tube 3, as well as an increase in the area of the blade 4 leads to an unacceptable decrease in the strength of the structure. It has been experimentally established that stable operation of the device is achieved with the above size rah.

Термопровода в области уменьшающегося диаметра, а также в области лопатки 4 выполнены таким образом, что имеют диаметр, уменьшающийся пропорционально уменьшению диаметра трубки 3 и далее сохраняющийся постоянным внутри уплощенной лопатки 4. Термопровода внутри трубки 3 и лопатки 4 изолированы между собой и от трубки 3 с помощью порошкового изолятора.The heat pipes in the region of decreasing diameter, as well as in the region of the blade 4, are made in such a way that they have a diameter that decreases in proportion to the decrease in the diameter of the pipe 3 and then remains constant inside the flattened blade 4. The thermal pipes inside the pipe 3 and the blade 4 are isolated from each other and from the pipe 3 s using a powder insulator.

Устройство работает следующим образом. Устройство устанавливается в газоходе 6 с помощью накидной гайки 7 таким образом, что лопатка 4 плоской частью располагается поперек направления газового потока. Рабочий термоспай 5 термопары, расположенный в торце лопатки 4, воспринимает температуру газового потока и формирует электрический потенциал, пропорциональный измеряемой температуре.The device operates as follows. The device is installed in the duct 6 using a union nut 7 so that the blade 4 with the flat part is located across the direction of the gas stream. Working thermocouple 5 thermocouple located at the end of the blade 4, perceives the temperature of the gas stream and forms an electric potential proportional to the measured temperature.

Указанное исполнение трубки 3 и лопатки 4, которые выступают за пределы корпуса 1, обуславливает пониженную термическую инерцию конструкции в сочетании с механической прочностью. Пониженная термическая инерция конструкции позволяет обеспечить измерение температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газоходе 6. Дополнительное повышение быстродействия достигается за счет установки плоской части лопатки 4 поперек газового потока, что приводит к повышению теплопередачи от среды к рабочему термоспаю за счет его аэродинамического торможения на лопатке 4 и улучшения теплообмена между ними.The specified design of the tube 3 and the blades 4, which protrude beyond the housing 1, causes a reduced thermal inertia of the structure in combination with mechanical strength. Reduced thermal inertia of the structure allows for the measurement of the temperature of fast high-temperature processes in the gas duct 6. An additional increase in speed is achieved by installing the flat part of the blade 4 across the gas stream, which leads to increased heat transfer from the medium to the working thermal junction due to its aerodynamic drag on the blade 4 and improvement heat transfer between them.

Для предотвращения излишних механических нагрузок на выступающую часть трубки 3 и лопатку 4 от воздействия скоростного напора газовой среды служит перфорированный металлический наконечник 2.To prevent excessive mechanical stresses on the protruding part of the tube 3 and the blade 4 from the action of the high-pressure head of the gas medium, a perforated metal tip 2 is used.

Claims

A device for measuring the temperature of gas flows, containing a thermocouple in a metal casing, the working junction of which is located inside the protective tip protruding outside the casing, characterized in that the protruding part of the thermocouple protruding outside the casing is made in the form of a metal tube of diameter d ending with a flattened blade, the end of which is a thermal junction, the metal tube has a diameter decreasing towards the flattened blade equal to 0.4 ÷ 0.5 d immediately in front of the blade, and the flattened blade has the following dimensions: length 0.3 ÷ 0.4 d, width 0.7 ÷ 0.8 d, thickness 0.1 ÷ 0.2 d, while inside the metal tube there are heat pipes isolated from each other and from the tube passing into a flattened blade, and having a diameter that decreases in proportion to the decrease in the diameter of the tube and remains constant inside the flattened blade, the protective tip is made of metal and perforated.