RU2202772C2

RU2202772C2 - High-temperature thermocouple

Info

Publication number: RU2202772C2
Application number: RU2001107326/28A
Authority: RU
Inventors: В.Ш. Сулаберидзе
Original assignee: Государственный научный центр РФ "Научно-исследовательский институт атомных реакторов"
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2003-04-20

Abstract

FIELD: measurement technology, facilities measuring high temperatures in oxidizing atmosphere. SUBSTANCE: high-temperature thermocouples has protective coverings. Internal covering is made of molybdenum. Zirconium dioxide in placed in annular gap between coverings. Zirconium dioxide forms case at working temperatures. EFFECT: prolonged service life of thermocouple. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения высоких температур в окислительной среде. The invention relates to measuring equipment, and in particular to devices for measuring high temperatures in an oxidizing environment.

Известны термопары для измерения высокой (более 1000^oС) температуры, содержащие термоэлектроды, межэлектродную изоляцию и защитный чехол из жаропрочного сплава (И.П. Куритнык, Г.С. Бурханов, Б.И. Стаднык. Материалы высокотемпературной термометрии. М. , Металлургия, 1986, стр.101, 102). Чаще всего для этих целей применяют сплавы жаропрочных металлов: молибдена, тантала, ниобия, вольфрама и др. , недостатком которых является быстрое разрушение при повышенной температуре (более 500-600^oС) в среде, содержащей кислород, вследствие интенсивного окисления (С.К. Данишевский, Н.И. Сведе-Швец. Высокотемпературные термопары. М., Металлургия, 1977, стр.195).Known thermocouples for measuring high (more than 1000 ^o C) temperature, containing thermoelectrodes, interelectrode insulation and a protective cover made of heat-resistant alloy (IP Kuritnyk, GS Burkhanov, BI Stadnyk. Materials of high temperature thermometry. M., Metallurgy, 1986, p. 101, 102). Most often, alloys of heat-resistant metals are used for these purposes: molybdenum, tantalum, niobium, tungsten, etc., the disadvantage of which is the rapid destruction at elevated temperatures (more than 500-600 ^o С) in a medium containing oxygen, due to intense oxidation (C.K Danishevsky, NI Sweden-Shvets. High-temperature thermocouples. M., Metallurgy, 1977, p. 195).

Ресурс термопар в этих условиях исчисляется минутами. В подавляющем большинстве случаев этого недостаточно для контроля температуры исследуемого объекта (в технологических измерениях, проводимых с целью непрерывного контроля процесса, разрушение средства измерения вообще недопустимо). The thermocouple life in these conditions is calculated in minutes. In the vast majority of cases, this is not enough to control the temperature of the studied object (in technological measurements carried out with the aim of continuous monitoring of the process, the destruction of the measuring instrument is generally unacceptable).

Для увеличения ресурса термопары в среде, содержащей кислород, при температуре выше 1000^oС применяют защитный чехол с покрытием, стойким к окислительной среде (Б. В. Лысиков, В.П. Прозоров. Термометрия и расходометрия ядерных реакторов. М., Энергоатомиздат, 1985, стр.66), или двойной защитный чехол.To increase the life of the thermocouple in an environment containing oxygen, at a temperature above 1000 ^o C apply a protective cover with a coating resistant to oxidizing environment (B. V. Lysikov, V. P. Prozorov. Thermometry and flow metering of nuclear reactors. M., Energoatomizdat, 1985, p. 66), or double protective case.

Наилучшими защитными свойствами с точки зрения предохранения от быстрого окисления обладает дисилицид молибдена (С.К. Данишевский, Н.И. Сведе-Швец. Высокотемпературные термопары. М. , Металлургия, 1977, стр.195. А.И. Борисенко. Защита молибдена от высокотемпературной газовой коррозии. М-Л., "АН СССР", 1960, стр.45-47). Опыт автора заявки показывает, что нанесение дисилицида молибдена на поверхность молибденового чехла позволяет производить измерение температуры в парогазовой среде в течение нескольких часов при температуре до 9750^oС (В.Ш. Сулаберидзе. Средства контроля условий испытаний материалов и изделий атомной техники в исследовательских реакторах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2000, стр.95). В то же время, технология нанесения силицидного покрытия довольно сложная, энергоемкая и высокотемпературная, требующая специального электронагревательного оборудования (то же самое относится и к технологиям нанесения карбидных, нитридных, окисных покрытий). Стабильность и воспроизводимость технологии, от которых зависит качество покрытия, чрезвычайно трудно реализуются на протяженных изделиях. Поэтому рабочие участки термопар с дисилицидным покрытием, как правило, ограничены по длине.Molybdenum disilicide has the best protective properties from the point of view of protection against rapid oxidation (S.K. Danishevsky, N.I. Swede-Shvets. High-temperature thermocouples. M., Metallurgy, 1977, p. 195. A.I. Borisenko. Protection of molybdenum from high-temperature gas corrosion. M-L., "USSR Academy of Sciences", 1960, pp. 45-47). The experience of the author of the application shows that the application of molybdenum disilicide on the surface of the molybdenum cover allows the temperature to be measured in a vapor-gas medium for several hours at temperatures up to 9750 ^o C (V.Sh. Sulaberidze. Means of monitoring the conditions of testing materials and products of nuclear engineering in research reactors. Abstract of dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. Moscow, 2000, p. 95). At the same time, the technology for applying silicide coatings is quite complex, energy-intensive and high-temperature, requiring special electric heating equipment (the same applies to technologies for applying carbide, nitride, and oxide coatings). The stability and reproducibility of the technology, on which the quality of the coating depends, is extremely difficult to implement on extended products. Therefore, the working sections of thermocouples with disilicide coating are usually limited in length.

Не требует разработки специальных технологических приемов применение в термопаре нескольких защитных чехлов. Эффект продления ресурса термопары достигается в данном случае наличием дополнительного барьера для проникновения кислорода и окисления внутреннего защитного чехла. Применение защитных чехлов позволяет произвести кратковременные измерения относительно высокой температуры в химически активной среде, например, содержащей кислород (Б.В. Лысиков, В.К. Прозоров, В.В. Васильев и др. Температурные измерения в ядерных реакторах. М., Атомиздат, 1975 г., стр. 905, рис.3.3,б). Однако ресурс термопары по-прежнему невысок. The development of special technological methods does not require the use of several protective covers in a thermocouple. The effect of extending the life of the thermocouple is achieved in this case by the presence of an additional barrier to the penetration of oxygen and the oxidation of the inner protective cover. The use of protective covers allows short-term measurements of relatively high temperature in a chemically active medium, for example, containing oxygen (B.V. Lysikov, V.K. Prozorov, V.V. Vasiliev, etc. Temperature measurements in nuclear reactors. M., Atomizdat , 1975, p. 905, Fig. 3.3, b). However, the thermocouple life is still low.

С целью увеличения ресурса термопары с защитными чехлами при измерении высокой температуры в окислительной среде внутренний чехол термопары выполнен из молибдена, а в кольцевом зазоре между чехлами размещен диоксид циркония, образующий при рабочих температурах каркас, снижающий поступление кислорода и продуктов коррозии наружного чехла к поверхности внутреннего чехла, при этом диоксид циркония применен в виде уплотненного порошка с размером частиц, меньшим величины кольцевого зазора, а наружный чехол выполнен из тантала. In order to increase the life of the thermocouple with protective covers when measuring high temperature in an oxidizing environment, the inner cover of the thermocouple is made of molybdenum, and zirconia is placed in the annular gap between the covers, forming a frame at operating temperatures, which reduces the oxygen and corrosion products of the outer cover to the surface of the inner cover while zirconium dioxide is used in the form of a compacted powder with a particle size smaller than the size of the annular gap, and the outer cover is made of tantalum.

Положительный эффект достигается за счет того, что при повышенной температуре порошок спекается или даже частично подплавляется и образует каркас вокруг внутреннего чехла из молибдена, затрудняющий взаимодействие последнего с продуктами коррозии наружного чехла и с кислородом, а также сохраняющий какое-то время целостность внутреннего чехла в процессе его окисления. The positive effect is achieved due to the fact that at an elevated temperature the powder sinter or even partially melt and form a frame around the inner molybdenum cover, which hinders the interaction of the latter with the corrosion products of the outer cover and with oxygen, and also preserves the integrity of the inner cover for some time in the process its oxidation.

Новые существенные признаки данного изобретения для термопар в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень. No new significant features of this invention for thermocouples were found in the scientific and technical literature, the proposed solution does not follow explicitly from the prior art, the combination of features provides new properties, which allows us to conclude that the claimed solution meets the criterion of inventive step.

Положительный эффект наличия оксида циркония в кольцевом зазоре между защитными чехлами был проверен и подтвержден в испытаниях специально изготовленных образцов. The positive effect of the presence of zirconium oxide in the annular gap between the protective covers was tested and confirmed in tests of specially manufactured samples.

При высокотемпературных испытаниях в вакууме было показано, что на образцах с молибденовым чехлом при температуре 2000-2900^oС сплошной слой спекшегося окисла образует оксид циркония. В дальнейшем этот оксид был применен при испытаниях образцов на воздухе. Для сравнительных испытаний были изготовлены 4 образца высокотемпературных термопар (длина всех образцов равна 200 мм) с электродами из сплавов вольфрам-рений. Образцы предварительно подвергли отжигу в среде аргона при температуре 9200^oС с целью формирования компактного окисного слоя в образце 4 (для представительности последующих сравнительных испытаний все образцы должны были быть подвергнуты одинаковому термическому воздействию). После этого образцы одновременно поместили в печь, разогретую до 90^oС. Через 75 мин выдержки их извлекли из печи. Состояние образцов после этих испытаний описано в таблице.During high-temperature tests in vacuum, it was shown that on samples with a molybdenum sheath at a temperature of 2000-2900 ^o With a continuous layer of sintered oxide forms zirconium oxide. Subsequently, this oxide was used in testing samples in air. For comparative tests, 4 samples of high-temperature thermocouples were made (the length of all samples was 200 mm) with tungsten-rhenium alloy electrodes. The samples were preliminarily annealed in argon at a temperature of 9200 ^° C in order to form a compact oxide layer in sample 4 (for representativeness of the subsequent comparative tests, all samples should have been subjected to the same thermal effect). After that, the samples were simultaneously placed in a furnace heated to 90 ^o C. After 75 minutes exposure they were removed from the furnace. The state of the samples after these tests is described in the table.

Таким образом, из результатов испытаний следует, что помещенный в кольцевой зазор между защитными чехлами оксид циркония существенно увеличил стойкость и, следовательно, ресурс термопары в окислительной газовой среде, т.е. обеспечил достижение цели изобретения. Thus, it follows from the test results that zirconium oxide placed in the annular gap between the protective covers significantly increased the resistance and, consequently, the thermocouple life in an oxidizing gas medium, i.e. ensured the achievement of the objective of the invention.

Claims

1. A high-temperature thermocouple, characterized in that it contains protective covers, while the inner cover is made of molybdenum, and zirconia is placed in the annular gap between the covers, forming a frame at operating temperatures, which reduces the oxygen and corrosion products of the outer cover to the surface of the inner cover.

2. The high temperature thermocouple according to claim 1, characterized in that the zirconium dioxide is used in the form of a compacted powder with a particle size less than the size of the annular gap.

3. The high temperature thermocouple according to claim 1, characterized in that the outer cover is made of tantalum.