ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1998 года по МПК G01K7/40 G01K11/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения температуры среды или поверхности нагретых тел.

Известны термисторы для измерения температуры, обладающие довольно высокой чувствительностью (Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М., Энергия).

Существенными недостатками их является низкая точность, невозможность измерения температуры свыше 300^oC и большая нелинейность выходного параметра от температуры.

Известно также устройство для измерения температуры поверхности нагретых тел от 400 до 2000^oC (Преображенский В.Н. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, стр. 704), содержащее корпус телескопа, линзы объектива, термобатареи, компенсационный и шунтирующий резисторы, корпус термобатареи, подвижную и неподвижную диафрагму, линзу визуального устройства, защитное стекло, крышку, контактный винт, фланец для крепления телескопа к защитной арматуре, штуцер для вывода проводов.

Недостатком этого устройства является увеличение погрешности измерения в зависимости от отличия характера излучения нагретого тела от излучения абсолютно черного тела. Это обусловлено тем, что излучательная способность реальных тел зависит от индивидуальных особенностей, которые необходимо учитывать при градуировке этих устройств по излучению черного тела. Используя подобные устройства для измерения устройства температуры этих тел, излучающих сплошной спектр, получают значения температур, отличные от действительных температур данных тел, поскольку их излучение не соответствует излучению черного тела.

Температуры реальных тел, измеренные по их тепловому излучению, находятся в определенном соотношении с действительными температурами реальных тел и устанавливаются теоретически по законам излучения и тем больше отличаются от действительных, чем значительнее характер излучения этих тел отличается от характера излучения черного тела. Это является принципиальным недостатком метода измерения температуры тел по тепловому излучению.

При измерении меняющихся температур по мере отклонения показания прибора от точек, соответствующих излучению черного тела, погрешность определения действительных температур будет увеличиваться. Эти недостатки в измерении действительных значений температур ограничивают область применения этих устройств.

Наиболее близким по техническому решению является выбранное за прототип устройство, содержащее чувствительный элемент, расположенный в вакуумированном объеме и выполненный в виде анода, катода и управляющего элемента, при этом катодом является расплав металла, анод выполнен в виде диска, установленного на стержне, а управляющий электрод - в виде кольца на подвижном стержне, кроме того, прототип содержит блок питания и схему отображения информации (а.с. 1154342, БИ 17, 1, 1985).

Принцип действия этого устройства основан на использовании термоэмиссии горячих тел. Поток электронов, эмитируемых расплавом, имеет направленное движение к диску, к которому приложено положительное напряжение определенной величины. Величина тока, пропорциональная плотности электронного "облака" над расплавом, определяется по выражению Ричардстона-Дешмана
I = AT²exp^(-в/т); B = -eϕ₀/k,
где
k - постоянная Больцмана /1,38•10^-23Дж/К/;
e - заряд электрона /1,602 • 10^-19 Кл/;
ϕ₀ - разность потенциалов в тормозящем поле, В;
T - температура горячего тела, K;
B - проницаемость потенциального барьера для электронов.

Недостатком этого устройства является ограничение области использования из-за недостаточной точности измерения ввиду сложности тарирования в диапазоне высоких температур для закрытых объемов, что требует дополнительных материальных затрат, а также невысокий ресурс работы из-за коррозии поверхности электронов.

В основу изобретения положена задача создания устройства, позволяющего расширить область его применения, повысить точность измерения, увеличить ресурс работы и упростить тарирование.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем чувствительный элемент в виде анода, катода, расположенных в вакуумированном корпусе, а также управляющий электрод, блок питания и схему отображения информации, катод чувствительного элемента выполнен в виде стакана, дно которого обращено в полость корпуса с эмиссионным покрытием радиусом с центром, совпадающим с центром анода, который выполнен в виде сферы, управляющий электрод выполнен неподвижным относительно анода и катода и снабжен блоком регулирования чувствительности, кроме того, блок регулирования чувствительности электрически связан с анодом, катодом, управляющим электродом, блоком питания и схемой отображения информации и выполнен в виде двух переменных резисторов, первый из которых подключен соответственно к катоду и минусу блока питания, а второй - параллельно к источнику питания, при этом подвижный контакт второго тора подключен к управляющему электроду, а подвижный контакт первого резистора - к минусу источника питания.

Предлагаемое устройство приведено на фиг. 1; на фиг. 2 представлена динамика изменения температуры на экспериментальной установке; на фиг. 3 приведена выходная вольт-амперная характеристика измерителя температуры в зависимости от температуры окружающей среды; на фиг. 4 представлена выходная вольт-амперная характеристика измерителя температуры при температуре окружающей среды 800^oC и при различных значениях напряжения на управляющем электроде и аноде.

Устройство содержит: чувствительный элемент в виде анода 1, катода 2, расположенных в вакуумированном корпусе 3, и управляющий электрод 4, блок питания 5, блок регулирования чувствительности 6, содержащий два переменных резистора 7 и 8, схему отображения информации 9, включающую резистор 10 и элемент отображения 11, причем катод 2 чувствительного элемента выполнен в виде стакана, дно которого обращено в полость 3 с эмиссионным покрытием радиусом с центром, совпадающим с центром анода 1, который выполнен в виде сферы, управляющий электрод 4 выполнен неподвижным относительно анода 1 и катода 2, первый переменный резистор 7 блока регулирования чувствительности 6 подключен к аноду 2 и минусу блока питания 5, а второй 8 - параллельно к источнику питания 5, при этом подвижный контакт второго резистора 8 подключен к управляющему электроду, а подвижный контакт первого резистора 7 - к минусу блока питания 5, анод 1 через резистор 10 схемы отображения информации 9 и параллельно подключенный к нему элемент отображения 11 подключен к плюсу блока питания 5.

Зазоры между соприкасающимися деталями чувствительного элемента должны быть загерметизированы, например, при помощи пасты из алюмохромфосфата, после чего просушены при температуре 200...250^oC в течение 2,5...3 ч, или при помощи пасты из ковра, после чего подверглись обжигу при температуре 1150... 1200^oC.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливают на объекте измерения температуры горячего тела или газов и включают блок питания 5. Под воздействием температуры со стороны внешней среды происходит разогрев катода 2 и его активного слоя. При температуре выше 400^oC с поверхности активного слоя эмитируются электроны и по мере разогрева катода 2 интенсивность излучения электронов с поверхности активного слоя возрастает. Электроны, покинувшие поверхность активного слоя, формируют "облако" отрицательной полярности, на которое оказывает влияние электрическое поле управляющего электрода 4, полярность которого положительная относительно облака. Вследствие этого электроны устремляются в направлении к управляющему электроду 4. Однако в области управляющего электрода 4 электроны оказываются в поле сильного влияния со стороны анода 1, напряженность которого значительно превосходит по величине напряженность поля управляющего электрода 4.

Таким образом, между катодом 2 и анодом 1 возникает поток электронов, величина которого пропорциональна интенсивности излучения электронов с поверхности активного слоя и величине электрического поля на управляющем электроде 4. При изменении электрического поля на управляющем электроде 4 изменяется величина тока при данной конкретной температуре с поверхности активного слоя катода 2. При отрицательном потенциале на управляющем электроде 4 относительно катода 2 электроны, вышедшие из активного слоя, не могут преодолеть воздействия тормозящего поля, и ток в этом случае равен нулю. При положительном потенциале на управляющем электроде 4 электроны, вышедшие с поверхности активного слоя катода 2, попадают на анод 1. Дальнейшее повышение потенциала на управляющем электроде 4 приводит к росту тока в пространстве между катодом 2 и анодом 1.

Если потенциал над пространством катода 2 становится равным потенциалу на управляющем электроде 4, то в этом случае наступает режим насыщения, т.е. электрическое поле зависит как от напряжения на управляющем электроде 4, так и от объемного заряда в межэлектродном пространстве. В режиме насыщения от катода 2 отбираются все электроды, поэтому эффективное управление потоком электронов возможно только в режиме наличия минимума потенциала у поверхности катода 2. Вследствие малой площади управляющего электрода 2 относительно площади межэлектродного пространства большая часть электронного потока достигает анода 1. Анодный ток значительно превышает ток управляющего электрода 4. Незначительное значение (0,5...1 B) анодного напряжения сильно влияет на количество электронов, возвращающихся на активный слой. При увеличении анодного напряжения уменьшается влияние потенциала управляющего электрода 4 и быстро увеличивается количество электронов, достигающих анода 1. При напряжении на аноде (5 B), превышающем в три раза напряжение на управляющем электроде 4, практически все электроны, пролетающие область управляющего электрода 4 и достигают анода 1.

Таким образом, преобразование температуры в электрический сигнал за счет термоэмиссии активного слоя анода 1 может быть мерой оценки ее действительного значения. Выбор напряжения на аноде 1 и управляющем электроде 4 при помощи переменных резисторов 7 и 8 блока регулирования чувствительности 6 обеспечивает различные режимы измерения температуры в широкой области значений. При этом создается возможность выделения определенного диапазона измерения и "расширения шкалы" в выбранном диапазоне измерения, что, в свою очередь, увеличивает точность измерения и упрощает градуировку устройства.

Сигнал, возникающий на резисторе 10 схемы отображения информации 9, поступает на вход индикатора 11, по которому определяют температуру.

Пример конкретной реализации.

Устройство было установлено на высокотемпературной вакуумной индукционной печи типа ВИП-60. В зоне контроля температуры была дополнительно установлена платинородиевая термопара. Контроль температуры осуществляли от начала включения печи и до достижения предельной температуры 1600^oC. Начальное значение температуры было зафиксировано устройством на уровне 353^oC, максимальное значение температуры соответствовало 1597^oC. Скорость нагрева составила 25^oC/мин.

Характеристики, приведенные на фиг. 2, 3 и 4, указывают на широкие возможности измерения температуры с большей точностью благодаря "расширению шкалы" измерения путем изменения напряжения на управляющем электроде 4 и аноде 1.

Предлагаемое устройство не содержит дорогостоящих и дефицитных материалов, имеет простую и дешевую технологию изготовления, которую легко освоить на предприятиях России.

Измеритель температуры относится к технике измерения высоких температур и может быть использован в металлургической промышленности, энергетике, химической промышленности и других отраслях. Измеритель температуры состоит из чувствительного элемента в виде анода и управляющего электрода, расположенных в вакууме, а также из блока питания и схемы отображения информации. Чувствительный элемент измерителя дополнительно содержит катод, выполненный в виде стакана, дно которого, имеющее эмиссионное покрытие, обращенное в полость корпуса, выполнено сферически с радиусом в центре, совпадающим с центром анода, который выполнен в виде сферы. Управляющий электрод выполнен неподвижным и снабжен блоком регулирования чувствительности, а блок регулирования чувствительности электрически связан с катодом, управляющим электродом и через блок питания и схему отображения информации - с анодом. Блок регулирования чувствительности выполнен в виде двух переменных резисторов, первый из которых подключен к катоду и блоку питания, а второй - параллельно к источнику питания. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Измеритель температуры, содержащий чувствительный элемент в виде анода и управляющего электрода, расположенных в вакууме, а также блок питания и схему отображения информации, отличающийся тем, что чувствительный элемент дополнительно содержит катод, выполненный в виде стакана, дно которого, имеющее эмиссионное покрытие, обращенное в полость корпуса, выполнено сферическим с радиусом в центре, совпадающим с центром анода, который выполнен в виде сферы, кроме того, управляющий электрод выполнен неподвижным и снабжен блоком регулирования чувствительности, а блок регулирования чувствительности, в свою очередь, электрически связан с катодом, управляющим электродом и через блок питания и схему отображения информации с анодом. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок регулирования чувствительности выполнен в виде двух переменных резисторов, первый из которых подключен соответственно к катоду и блоку питания, а второй - параллельно к источнику питания, при этом подвижный контакт второго резистора подключен к управляющему электроду, а подвижный контакт первого резистора - к минусу источника питания.