ДАТЧИК ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ Российский патент 1996 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в датчиках, служащих для измерения параметров среды по изменению коэффициента теплоотдачи между ними и средой, в которую они помещаются.

В качестве таких датчиков применяются:
индикаторы фазы среды (обезвоживания, заполнения и т.п.), выходной сигнал которых зависит от того, в жидкой или газообразной среде находится чувствительный элемент (в жидкой среде коэффициент теплоотдачи выше, чем в газообразной),
дискретные уровнемеры, являющиеся по сути многоточечными индикаторами среды,
термоанемометры, использующие зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости движения среды, в которую помещен чувствительный элемент,
измерители других параметров среды: влажности, состава, теплопроводности, паросодержания для двухфазных сред и т.п.

Известен датчик измерения параметров сред, содержащий чувствительные элементы, разнесенные по длине двух линеек и выполненные в виде двух расположенных на одном уровне и включенных навстречу друг другу термопар, и нагреватель, которым снабжена одна из линеек (см. авторское свидетельство СССР N 492750, кл. G 01 F 23/22, 1974 г.)
Этот датчик, применяющийся в качестве уровнемера жидкости, обладает недостатками, основными из которых являются:
сложность изготовления и низкая надежность датчика, особенно в условиях высокотемпературных и агрессивных сред, вибрации и т.п. т.к. электроды и спаи термопар находятся в окружающей среде,
повышенный расход электроэнергии, необходимой для нагрева не только термопар, но и линейки,
недостаточное быстродействие из-за значительной теплоемкости материала линейки,
общие габариты датчика, состоящего из двух линеек и нескольких термопар.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому датчику является датчик параметров среды, содержащий корпус, в котором размещены чувствительный элемент из последовательно соединенных электродов, спаи которых разнесены по длине корпуса и при этом один из них помещен в рабочей части корпуса, и электронагреватель (Н.А. Ярышев. Теоретические основы измерения нестационарных температур. Л. Энергия, 1967, с. 125, рис.5-5).

У прототипа имеются следующие недостатки:
нельзя измерять фазовое состояние, уровень и скорость движения среды, т. к. в этом устройстве не вырабатывается сигнал, соответствующий этим параметрам,
повышенный расход электроэнергии в нагревателе, т.к. датчик нагревается по всей длине,
большие габаритные размеры и инерционность датчика, т.к. витки нагревателя невозможно разместить в корпусе малого диаметра,
ограниченное число точек контроля по длине корпуса датчика, т.к. измерения проводятся только в одной точке,
сложность выполнения второго спая, т.к. термоэлектроды должны быть электрически изолированы от нагревателя и корпуса.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности и снижении расхода электроэнергии, необходимой для работы датчика, увеличении его чувствительности, быстродействия и точности, а также в расширении контролируемой датчиком зоны и области его применения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в датчике параметров среды, содержащем корпус с чувствительным элементом и электрическим нагревателем, рабочая часть корпуса имеет диаметр меньше, чем у остальной части корпуса, и чувствительный элемент расположен внутри корпуса, заполненного электроизолирующим материалом, и выполнен в виде дифференциальной термопары из трех последовательно соединенных электродов, при этом крайние электроды изготовлены из одного материала и их спаи с промежуточным электродом разнесены по длине корпуса и по крайней мере один из них расположен в рабочей части, а нагреватель выполнен с поперечным сечением, которое в рабочей части меньше, чем в остальной части корпуса, кроме того, обеспечивается за счет того, что оба спая расположены в рабочей части корпуса и при этом или нагреватель расположен от ближнего к торцу рабочей части корпуса спая на расстоянии не менее шести диаметров его рабочей части или рабочая часть корпуса в месте расположения одного из спаев выполнена либо с большим, чем у остальной рабочей части корпуса, диаметром, либо снабжена снаружи ребрами, и также достигается за счет того, что чувствительный элемент выполнен в виде по крайней мере двух дифференциальных термопар с разнесенными по длине корпуса датчика спаями, при этом дифференциальные термопары могут быть выполнены с одним общим крайним электродом и спаем.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен датчик параметров среды с произвольным расположением спаев электродов дифференциальной термопары относительно нагревателя; на фиг.2 показан датчик, в котором нагреватель расположен от ближнего к торцу спая на расстоянии не менее шести диаметров рабочей части корпуса; на фиг.3 представлен датчик, у которого один из спаев расположен в части корпуса, диаметр которой превышает диаметр рабочей части корпуса; на фиг.4 датчик, рабочая часть корпуса которого в районе одного из спаев имеет диаметр больше, чем диаметр остальной рабочей части корпуса; на фиг.5 изображен датчик с несколькими термопарами, на фиг.6 показан датчик с общим для нескольких термопар крайним электродом.

Датчик параметров среды состоит из корпуса 1 переменного диаметра, заполненного электроизоляцией 2, нагревателя, изготовленного из двух, например, нихромовых электродов 3 и дифференциальной термопары (ДТ), состоящей из двух, например, хромелевых электродов 4 и расположенного между ними, выполненного из другого материала, например, алюмеля, электрода 5, холодный 6 и горячий 7 спаи которых разнесены по длине корпуса 1 датчика. Электроды нагревателя соединены с блоком питания 8, обеспечивающим постоянную электрическую мощность, а электроды ДТ с блоком измерения 9 электродвижущей силы (ЭДС) ДТ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Датчик помещают в объем с контролируемой средой и подают на электроды 3 нагревателя напряжение от блока питания 8. Электроды 3 начинают разогреваться и, т.к. они имеют в рабочей части меньшее сечение, именно в этой части выделяется основная доля тепла, а поскольку корпус 1 в рабочей части к тому же заужен, нагрев электродов 4 и 5 ДТ будет происходить оперативно и к тому же с минимальными затратами электроэнергии. В связи с тем, что нагреватель расположен от ближнего к торцу рабочей части корпуса спая на расстоянии не менее шести диаметров рабочей части корпуса, электроды 4 и 5 ДТ будут нагреваться неодинаково и в ДТ образуется термо-ЭДС, величина которой пропорциональна разности температур разнесенных по длине корпуса 1 спаев. ЭДС измеряют с помощью блока 9 и по ее величине судят о параметрах окружающей датчик среды.

В том случае, когда нагреватель расположен по всей длине датчика, электроды 4 и 5 ДТ нагреваются одинаково. Однако, поскольку диаметр участка рабочей части корпуса 1 датчика в месте расположения одного из спаев превышает диаметр всей остальной рабочей части корпуса 1 или имеет снаружи ребра для отвода тепла, коэффициент теплоотдачи между этим участком и окружающей средой будет больше, чем коэффициент теплоотдачи между остальной частью корпуса 1 и окружающей средой. В результате спаи электродов 4 и 5 будут иметь равную температуру и в ДТ возникнет термо- ЭДС, величина которой определяется с помощью блока 9.

Аналогичная ситуация наблюдается и в том случае, когда один из спаев ДТ расположен вне рабочей части корпуса, диаметр которой больше, чем диаметр ее рабочей части, т.к. в этом случае утолщенная часть корпуса 1 будет более активно отдавать тепло окружающей среде за счет более развитой теплообменной поверхности.

При колебаниях уровня среды контроль за его изменением осуществляется датчиком, в котором наиболее нагретые спаи двух или более ДТ, расположенных в корпусе 1 с одним общим нагревателем, разнесены по длине корпуса 1 датчика на всю высоту контролируемого объема. Помимо уменьшения числа датчиков, которые часто необходимо располагать в весьма затесненном пространстве, такое решение позволяет сократить расход электроэнергии, необходимой для работы нагревателей целой группы датчиков. Для уменьшения как габаритов датчиков, так и количества металла, идущего на изготовление электродов, дифференциальные термопары выполняют к тому же с одним общим крайним электродом, наименее нагретый спай которого с промежуточными электродами разных термопар является общим для всех расположенных в корпусе 1 датчика ДТ.

Таким образом, датчик предложенной конструкции может быть использован как:
индикатор фазы среды, т.к. при включенном нагревателе, находясь в газовой среде с низким значением коэффициента теплоотдачи, сигнал дифференциальной термопары имеет величину (например, на воздухе 10 мВ) в несколько раз большую, чем в жидкой среде (например, в стоячей воде 1 мВ), с большим коэффициентом теплоотдачи и по величине сигнала легко определить фазу среды, в которой находится рабочий участок датчика,
уровнемер, т.к. при размещении нескольких датчиков (или одного датчика, который снабжен несколькими ДТ) по высоте контролируемого объема можно определить в каких точках есть жидкая фаза и оценить положение уровня,
термоанемометр, поскольку с увеличением скорости движения среды (газа или жидкости) увеличивается коэффициент теплоотдачи и, следовательно, снижается сигнал дифференциальной термопары. Например, при токе нагревателя 2 А, при скорости течения воды 6 м/с сигнал составлял 0,15 мВ, при 8 м/с 0,12 мВ, при 12 м/с 0,08 мВ. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в приборостроении, в частности в датчиках для измерения параметров среды по изменению коэффициента теплоотдачи между ними и окружающей средой. Сущность изобретения: рабочую часть корпуса датчика выполняют с диаметром меньше, чем у остальной части корпуса. Внутри корпуса, заполненного электроизолирующим материалом, помещают чувствительный элемент (ЧМ). ЧМ представляет собой дифференциальную термопару из трех последовательно соединенных электродов. Крайние электроды изготавливают из одного материала и их спаи с промежуточным электродом разносят по длине корпуса. По крайней мере, один из них располагают в рабочей части. Нагреватель выполняют с поперечным сечением, которое в рабочей части меньше, чем в остальной части корпуса. По крайней мере, один из них располагают в рабочей части. Нагреватель выполняют с поперечным сечением, которое в рабочей части меньше, чем в остальной части корпуса, кроме того, оба спая располагают в остальной части корпуса. При этом или нагреватель помещают от ближнего к торцу рабочей части корпуса спая на расстоянии не меньше шести диаметров его рабочей части или выполняют рабочую часть корпуса в месте расположения одного из спаев либо с большим, чем у остальной рабочей части корпуса, диаметром, либо снабжают снаружи ребрами. ЧМ может быть выполнена также в виде, по крайней мере, двух дифференциальных термопар с разнесенными по длине корпуса датчика спаями. При этом дифференциальные термопары могут быть выполнены с одним общим крайним электродом и спаем. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Датчик параметров среды, содержащий корпус, в котором размещены чувствительный элемент из последовательно соединенных электродов, спаи которых разнесены по длине корпуса и при этом один из них помещен в рабочей части корпуса, и электронагреватель, отличающийся тем, что корпус заполнен электроизолирующим материалом и его рабочая часть имеет диаметр меньше, чем остальная часть корпуса, а чувствительный элемент состоит из трех электродов и выполнен в виде дифференциальной термопары, при этом крайние электроды изготовлены из одинакового материала, а рабочая часть нагревателя выполнена с меньшим поперечным сечением, чем остальная его часть. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что другой спай также расположен в рабочей части корпуса и при этом нагреватель расположен от ближнего к торцу рабочей части корпуса спая на расстоянии не менее шести диаметров рабочей части. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что другой спай также расположен в рабочей части корпуса, причем рабочая часть корпуса в месте расположения одного из спаев выполнена либо с большим, чем остальная рабочая часть корпуса, диаметром, либо снабжена снаружи ребрами. 4. Датчик по пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем что чувствительный элемент снабжен дополнительной дифференциальной термопарой с разнесенными по длине корпуса спаями. 5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что дифференциальные термопары имеют общий крайний электрод и общий спай.