ПОРТАТИВНЫЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01K7/12 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к измерительной технике, и может быть использовано для измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей (термопар) с автоматической компенсацией температуры холодного спая.

Известен портативный термометр со сменным термопарным зондом, имеющий ручку, удобную для захвата рукой, и разъем для быстрого подключения зонда (патент Франции N 2173795, кл. G 01 K 7/00, 1973).

Недостатком известного устройства является то, что в ручку не вынесен термоэлемент схемы компенсации температуры холодного спая, а это приводит, во-первых, к необходимости использования длинных термопарных или компенсационных проводов, идущих от ручки к измерительно-показывающему блоку термометра, и, во-вторых, к появлению дополнительного источника искажения термо-э. д. с. термопары из-за включения в провода термоэлектродов проводников разъема, выполненных из материала, отличного от материала термоэлектродов.

Также известно термометрическое устройство, содержащее изотермическую панель с размещенным на ней термоэлементом схемы компенсации температуры холодного спая термопары и с клеммами для подсоединения холодного спая термопары (патент США N 3911745, кл. G 01 K 7/12, 1978, НКИ: 73-341).

Недостатком известного устройства является то, что оно не содержит разъема для быстрого подключения термопары.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа заявляемого устройства, является портативный термометр, содержащий сменный с термопарой разъем для подсоединения зонда и тепловыравнивающий блок с термоэлементом схемы компенсации температуры холодного спая (патент США, N 4488824, кл. G 01 K 7/12, 1984, НКИ: 374-181).

Недостатком известного устройства является то, что для выравнивания температуры холодного спая термопары и термоэлемента схемы компенсации приходится изготавливать отдельный сложный тепловыравнивающий блок, к которому от разъема протянуты удлинительные провода из материала термопары или компенсационные провода, что приводит к удорожанию и усложнению конструкции, а также к появлению дополнительных источников погрешности в измерительной схеме.

Отличительными особенностями предлагаемого портативного термометра, содержащего сменный зонд с термопарой, разъем для подсоединения зонда и тепловыравнивающий блок с термоэлементом схемы компенсации температуры холодного спая, является то, что тепловыравнивающий блок совмещен с разъемом, т.е. холодный спай термопары является составной частью разъема, а термоэлемент и вещество, выравнивающее температуру, заключены в единый блок с разъемом, причем разъем содержит более двух контактных штырьков, два из которых соединены со свободными концами термопары и служат ее холодным спаем, а остальные соединены с термоэлементом преимущественно через его выводы, а не через корпус, при этом контактные штырьки в обеих частях разъема имеют между собой надежную тепловую связь за счет контакта (соединения) через электроизолятор с большим коэффициентом теплопроводности, а сам разъем размещен (для устранения резкого влияния внешних тепловых полей, например тепла руки) в теплоизоляторе, который может как окружать выводные части штырьков разъема и быть выполненным в виде втулки, так и являться составной частью корпуса (например, ручки).

На фиг. 1 изображен общий вид портативного термометра; на фиг. 2 - блок-схема портативного термометра; фиг.3 разъем, конструктивно объединенный с тепловыравнивающим блоком.

Сменный зонд 1 через разъем 1 (2', 2'') соединен с ручкой 3 термометра, которая в свою очередь через гибкий электрический шнур 4 и штекер 5 соединена с измерительно-показывающим блоком 6 термометра (фиг.1). Внутри ручки 3 на клеммах разъема 2'' размещен термоэлемент схемы компенсации температуры холодного спая термопары, свободные концы которой соединены с клеммами разъема 2'. Разъем 2 выполняет функцию тепловыравнивающего блока и является пассивным термостатом, выравнивающим температуру холодного спая термопары и термоэлемента.

Термопара 7 (фиг.2) зонда 1 подключена к масштабному усилителю 8, выход которого соединен с сумматором 9. К сумматору 9 подсоединена также схема компенсации температуры холодного спая термопары, состоящая из термоэлемента 10 и устройства компенсации 11. Свободные концы термопары 7 и термоэлемент 10 размещены в тепловыравнивающем блоке 12. К выходу сумматора 9 подсоединен аналого-цифровой преобразователь 13 и жидко-кристаллический индикатор 14.

Тепловыравнивающий блок 12 совмещен с разъемом 2 (фиг.3). Разъем 2 содержит два контактных штырька 15 (15', 15'') для подсоединения термоэлектродов термопары 7, которые служат холодным спаем термопары, и свободные контактные штырьки 16 (16', 16'') для подсоединения термоэлемента 10. От контактных штырьков 15'' и 16'' отходят к клеммнику 17, связанному с электронной схемой, провода 18 и 19. Штырьки 15 и 16 находятся в тепловом контакте за счет соединения их выводных частей (места подсоединения проводов) электроизолятором 20 (20', 20'') с большим коэффициентом теплопроводности и окружены теплоизолятором 21 (21', 21'').

Термометр работает следующим образом.

Необходимый сменный зонд 1, выбираемый в зависимости от назначения (контроль температуры жидкости, газа, плоской поверхности и т.д.) и содержащий термопару 7 (платино-платинородиевую, хромель-копелевую и т.д.), подсоединяется через разъем 2 к ручке 3, в которой расположен термоэлемент 10. Сигналы с термопары 7 и термоэлемента 10 (от тепловыравнивающего блока 12, конструктивно совмещенного с разъемом 2) направляются в электронную схему, расположенную в измерительно-показывающем блоке 6 термометра. При этом ручка 3 подсоединяется к блоку 6 электрошнуром 4 со штекером 5. Термо-э. д.с. вырабатываемая термопарой 7, усиливается и нормируется (т.е. формируется коэффициент с необходимым значением милливольт на каждый градус) в масштабном усиливателе 8 и направляется в сумматор 9. Чтобы вводить автоматически поправку в сигнал термо-э.д.с. термопары, зависящую от температуры свободных концов термопары (холодного спая), сигнал с термоэлемента 10, которым может являться терморезистор или полупроводник, подается в устройство компенсации 1, где он при необходимости преобразуется (например, отрицательный температурный коэффициент полупроводникового термоэлемента преобразуется в положительный) и усиливается, после чего подается на сумматор 9. Выходной сигнал сумматора 9 представляет собой алгебраическую сумму сигналов термопары 7 и термоэлемента 10 и является по сути скомпенсированным сигналом термопары с поправкой на температуру холодного спая. Далее этот сигнал обрабатывается на аналого-цифровом преобразователе 13, который управляет жидко-кристаллическим индикатором 14. Жидко-кристаллический индикатор 14 высвечивает истинную температуру контролируемого объекта.

Для обеспечения высокой точности контроля необходимо места переходов свободных концов обоих термоэлектродов термопары на медные провода (холодный спай) поддерживать строго при одинаковой температуре, абсолютное значение которой должно достоверно фиксироваться термоэлементом. В тепловыравнивающем блоке 12, который в предлагаемом устройстве термометра совмещен с разъемом 2, холодным спаем термопары 7 являются контактные штыри 15' зондовой части разъема 2'. Термоэлемент 10 при этом расположен в ответной части разъема 2'', которая является составной частью тепловыравнивающего блока 12. Чтобы обеспечить равномерное распределение температуры по тепловыравнивающему блоку 12, разъем 2 имеет более двух контактных штырьков, а к свободным штырькам 16'' подсоединяется термоэлемент 10. За счет высокой теплопроводности металла штырьков и их малых размеров температуры сочетаемых частей контактных штырьков соответствующих половинок разъема 2' и 2'' с высокой степенью точности совпадают. Для выравнивания же температуры соседних контактных штырьков между ними обеспечивается надежный тепловой контакт за счет соединения выводных частей контактных штырьков в обеих частях разъема 2', 2'' электроизолятором 20', 20'' с высоким коэффициентом теплопроводности. В случае резкого неизотропного теплового возмущения температура по длине штырька и между соседними штырьками на какое-то время может оказаться неодинаковой, поэтому обе части разъема 2', 2'' окружены теплоизолятором 21', 21''. Таким образом, внутри теплоизолятора 21 формируется пассивный термостат, в котором с высокой степенью точности поддерживается равенство температур между контактными штырьками 15, 16. К штырькам 15' подсоединяются термоэлектроды термопары 7, к штырькам 16'' подсоединяются выводы или корпус термоэлемента 10 (полупроводники желательно подсоединять через их выводы, которые имеют лучшую тепловую связь с р-n переходом, чем корпус полупроводника, а терморезистор предпочтительно подсоединять через корпус). Этим обеспечивается надежный контроль температуры холодного спая термопары (штырьки 15') термоэлементом 10. К штырькам 16'' можно подсоединять также медные провода 19, идущие к клеммнику 17 и служащие выводами от термоэлемента 10. К клеммнику 17 подсоединяются также провода 18, которые могут быть медными и служат выводами сигнала с термопары 7. От клеммника 17 жгут проводов отводится к электронной схеме измерительного показывающего блока 6.

Пример конкретного осуществления заявляемого устройства.

Были изготовлены сменные зонды, каждый из которых содержал хромель-алюмелиевую термопару, заключенную в оболочку из нержавеющей стали, и разъем РС 4А. Зонд подсоединялся к ручке через закрепленную в ней ответную часть разъема РС 4А. В ручке размещался транзистор КТ 3102, являющийся термодатчиком схемы компенсации температуры холодного спая термопары. Ручка подсоединялась через электрошнур к измерительно-показывающему блоку, содержащему жидко-кристаллическое табло для индикации контролируемой температуры в градусах по шкале Цельсия. К двум контактным штырькам зондовой части разъема подпаивались свободные концы термопары, а к оставшимся двум свободным контактным штырькам разъема со стороны ручки подпаивались выводы с транзистора (к одной ножке разъема с коллектора и базы транзистора, к другой с эмиттера). Также к ответной части разъема со стороны ручки ко всем четырем выводным частям контактных штырьков подпаивались медные провода, идущие к измерительно-показывающему блоку на электронную схему обработки и индикации сигналов. Все четыре контактных штырька в обеих частях разъема со стороны зонда и ручки замазывали пастой на основе органо-силикатной композиции ОС 5208, имеющей высокий коэффициент теплопроводности, и окружали теплоизолятором. Делали это следующим образом. В ручке, изготовленной из пластмассы с низким коэффициентом теплопроводности, предусматривалось углубление под разъем. После распайки разъема углубление заполняли пастой и вдавливали в нее разъем. Затем закрепляли разъем на корпусе ручки винтами и сушили пасту при температуре 120^oC на воздухе в течение 24 ч, в результате чего она превращалась в монолитное твердое тело, находящееся в надежном контакте с выводами штырьков и обладающее высоким электросопротивлением и теплопроводностью. Со стороны же зонда в разъем вначале по периферии вокруг выводов штырьков размещали теплоизоляционную втулку из супертонкого кварцевого волокна ТЗНК-10. Далее к разъему подпаивали свободные концы термопары, заполняли втулку пастой (замазывали пастой выводы штырьков), закрывали сверху пробкой из ТЗНК-10, закрепляли разъем на корпусе зонда и проводили сушку пасты по режиму, описанному выше.

Изготовленный по заявляемой конструкции и указанной технологии термометр имел точность ±0,1^oC при контроле температуры в диапазоне (0.1000)^oC и при колебаниях температуры окружающей среды в пределах (0.45)^oC.

Использование: портативный термометр. Сущность изобретения: тепловыравнивающий блок в термометре совмещен с разъемом. В разъеме два контактных штырька соединены со свободными концами измерительной термопары. Остальные штырьки соединены с компенсирующим термоэлементом. Контактные штырьки в обеих частях разъема связаны между собой теплопроводящим электроизолятором. Разъем размещен в теплоизоляторе. 3 ил.

Портативный термометр, содержащий сменный зонд с термопарой, разъем для подсоединения зонда и тепловыравнивающий блок с термоэлементом схемы компенсации температуры холодного спая термопары, отличающийся тем, что тепловыравнивающий блок совмещен с разъемом, содержащим более двух контактных штырьков, два из которых соединены со свободными концами термопары и служат ее холодным спаем, а остальные соединены с термоэлементом, причем контактные штырьки в обеих частях разъема связаны между собой теплопроводящим электроизолятором, а сам разъем размещен в теплоизоляторе.