МАГНИТОКОНТАКТНЫЙ ТЕРМОДАТЧИК Российский патент 1998 года по МПК G01K1/12 G05D23/26 

Предлагаемое изобретение относится к контактным термодатчикам, которые устанавливаются на различных устройствах и механизмах (или на их отдельных ответственных частях) для постоянного контроля за уровнем температуры (к примеру, на буксовых узлах вагонов и локомотивов, различных редукторах, на полупроводниковых преобразователях и пр.) и которые сигнализируют при превышении допустимой величины нагрева устройства.

Под понятием "датчик" в общем случае понимается дешевый и надежный приемник и преобразователь измеряемой физической величины (в данном случае температуры нагрева) в электрический сигнал на выходе.

Существует большое количество различных конструкций и устройств, используемых в качестве термодатчиков, но все они имеют те или иные существенные недостатки, препятствующие их широкому применению.

К известным аналогам относится контактный термодатчик (см. Терешкин Л.В. , "Приводы генераторов пассажирских вагонов". Транспорт, М., 1990, с. 30; 31, рис. 23, рис. 22 и рис. 21, поз.7), который представляет собой жесткий латунный герметизированный корпус с внутренней эбонитовой втулкой, в которую концы двух изолированных друг от друга проводов, которые с внешней стороны идут к электрическому щиту в купе проводника или пульт машиниста, а с другой стороны оголенные торцы проводов во втулке корпуса термодатчика перемкнуты легкоплавким сплавом (см. рис. 23, поз. 4), причем с торца корпус глухо закрыт (завальцован) шайбой.

Такой контактный термодатчик ввинчивается в корпус контролируемого устройства в наиболее нагреваемой зоне, к примеру в месте установки подшипников.

Термодатчик запитан от аккумуляторной батареи напряжением 50 В так, что катушка реле РП находится под током, а блок-контакты реле разомкнуты и электрическая цепь питания сигнального звонка и лампы нарушена (обесточена).

При нагревании корпуса контролируемого устройства свыше +70^oC (до 90-100^oC) легкоплавкий сплав расплавляется и под воздействием сил гравитации стекает на дно корпуса, при этом электрический контакт между торцами проводов нарушается, реле РП обесточивается, его блок-контакты замыкаются, включается сигнальный звонок и лампа.

Такой контактный термодатчик имеет следующие существенные недостатки:
а) легкоплавкий сплав содержит: Bi - 51,65%; Pl - 40,2%; Cd - 8,15% и является довольно дорогим сплавом;
б) недостаточно чувствителен, поскольку легкоплавкий сплав отделен от источника нагревания с боков изоляцией, а с торца - прослойкой воздуха (расстоянием);
в) после срабатывания датчик необходимо заменить новым, т.е. он не может быть легко восстановлен;
г) при температурах контролируемого устройства, близких к температуре плавления легкоплавкого сплава, возможно сильное размягчение его и ложные (преждевременные) срабатывания;
д) совершенно неуниверсален, т.е. его нельзя, к примеру, устанавливать на объекте в условиях невесомости.

Наиболее близким по своей технической сути и назначению к предлагаемому техническому решению является "Контактный термодатчик для железнодорожного подвижного состава" по заявке RU 94-042880 (043135), 10.10.96, по которой экспертизой ВНИИГПЭ 11.10.95 принято решение о выдаче патента Российской Федерации.

Контактный термодатчик по указанной заявке представляет собой жесткий латунный герметизированный корпус, с установленной внутри его сдвоенной изоляционной втулкой, представляющей собой верхнюю и нижнюю втулки, из механически прочной и термостойкой пластмассы.

Корпус имеет наружную резьбу и шестигранный фланец для захвата гаечным ключом при установке и в него через шейку двухжильный изолированный провод и жестко закреплен (завальцован).

В верхней втулке жестко установлены (запресованы) неподвижные контакты, которые соединены (припаены) к внутренним оголенным концам провода.

Указанные неподвижные контакты замкнуты токопроводящей перемычкой твердометаллического подвижного контакта, который жестко установлен по центру силового элементы, с помощью специальной двухсторонней заклепки.

Силовой элемент изготовлен из материала с обратимой термической памятью формы или из биметалла в виде выгнутой круглой тонкостенной сферической диафрагмы.

Указанный силовой элемент своими краями опирается на торцы между верхней и нижней изоляционными втулками и фиксируется с помощью стопорной фасонной гайки. Фасонная гайка имеет два отверстия для ключа и после ввинчивания в корпус кренится в трех точках под углом 120^oC по периметру резьбы.

Силовой элемент в исходном положении (при температуре до +70^oC) установлен с нажатием между неподвижными контактами и подвижным контактом.

Контактный термодатчик ввинчивается в контролируемый объект до упора, а наружный конец провода идет через разъем к пульту в купе проводника или машиниста в сигнальную схему.

При работе, когда температура контролируемого узла достигает значения выше +70^oC (т. е. примерно, +90-100^oC), силовой элемент дискретно изменяет свою форму, т.е. выгибается в обратную сторону по стрелке и между контактами и образуется раствор, т.е. контакты размыкаются. При этом обесточивается силовая катушка реле, замыкающая блок-контакты, вспыхивает сигнальная лампа и звонит звонок на пульте проводника или машиниста.

При охлаждении силового элемента до исходной температуры (ниже +70^oC) он возвращается в исходное положение, замыкая электрическую цепь сигнализации. Датчик готов к дальнейшей работе.

Описанный прототип является совершенным и надежным устройством, однако и он имеет некоторые недостатки:
е) силовой элемент имеет круглую форму и относительно большой диаметр, что вызывает, соответственно, увеличение диаметра корпуса устройства и препятствует его миниатюризации;
ж) технология производства силового элемента из металла с памятью, с заданными параметрами довольно сложна и требует специального производства.

Задачей предлагаемого изобретения является создание магнитоконтактного термодатчика, свободного от вышеперечисленных недостатков (см. пункты "е"; "ж").

Задача решается тем, что предлагаемое устройство содержит неподвижные контакты, выполненные из хорошо токопроводящего материала (к примеру, меди и др. ), которые жестко установлены (к примеру, ввинчены), каждый на своем участке магнитопровода так, что концы их несколько выступают наружу нижней поверхности магнитопровода своей контактной частью. Причем указанный магнитопровод состоит из двух частей (каждая из них содержит свой неподвижный контакт), выполненных (в плане) в виде круговых сегментов, с зазором друг к другу, из термомагнитного сплава (к примеру, из Fe-Ni-Co с точкой Кюри: θ_К= +70^°C) и установлены жестко совместно с неподвижными контактами во внутреннем торце диэлектрической втулки.

Замыкающим контактом является подвижный контакт, представляющий собой сильный постоянный магнит, выполненный в виде плоского цилиндра из магнитотвердого материала (к примеру, "альнико" или "магнико" и др. с точкой Кюри: θ_к= +870-900^°C), при необходимости с тонким поверхностным контактным слоем из хорошо токопроводящего материала в виде кольца (к примеру, из латунной или бронзовой фольги или полученной гальваническим способом и др.), с контактирующей стороны (на фиг. сверху магнита) жестко соединенного с поверхностью магнита (к примеру, с помощью клея, гальваническим способом и др.).

В исходном положении замыкающий контакт расположен по центру, внутри нижней части диэлектрической втулки, на неподвижных контактах, перемыкая (замыкая) их.

По центру диэлектрической втулки расположен возвратный прямоходовой шток с пружиной сжатия, закрытый с торца глухой шайбой со штифтом.

Диэлектрическая втулка с неподвижными и подвижными контактами и двужильным проводом от них установлены в диамагнитном металлическом корпусе (к примеру, из латуни и др.) и закрыты с торца гайкой-заглушкой, также из диамагнитного материала.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что для замыкания и размыкания контактов используется (как бы в качестве привода) указанный выше термомагнитный сплав (с точки Кюри: θ_к= +70^°C) и сильный постоянный магнит из магнитотвердого материала (с θ_к= +870-900^°C), причем указанный термомагнитный сплав при нагреве свыше +70^oC теряют свои магнитные свойства, а при охлаждении ниже +70^oC вновь приобретает их.

Таким образом, благодаря применению указанных магнитных материалов для управления контактами появляются новые свойства, такие, к примеру, как независимость от воздействия сил гравитации, простота изготовления, самовосстанавливаемость для продолжения работы, дешевизна, простота технологии изготовления, универсальность, надежность.

К технико-экономическим преимуществам, предлагаемого технического решения относятся:
з) устройство может быть установлено в любом рабочем положении на контролируемом объекте;
и) при охлаждении устройства до нормальной (ниже +70^oC) температуры оно автоматически возвращается в исходное положение, в состояние готовности к работе;
к) работа устройства не зависит от воздействия сил гравитации;
л) устройство просто по конструкции и имеет минимальное количество деталей;
м) устройство просто в изготовлении и дешево;
н) переключение происходит дискретно, мгновенно;
о) устройство ремонтопригодно и детали его взаимозаменяемы;
п) устройство универсально, т.е. может работать на различных контролируемых объектах;
р) устройство высоконадежно в работе;
с) устройство надежно защищено от внешних воздействий;
т) устройство может быть выполнено и на другие температуры срабатывания.

На фиг. 1 показан магнитоконтактный термодатчик в поперечном сечении по вертикальной оси, в рабочем включенном состоянии, т.е. при температуре ниже +70^oC; на фиг. 2 показан термодатчик в сечении по А-А (вид на неподвижные контакты); на фиг. 3 показан термодатчик в сечении по Б-Б (вид на подвижный контакт); на фиг. 4 показан термодатчик в виде снизу по стрелке В; на фиг. 5 показан термодатчик в продольном сечении по вертикальной оси, в отключенном положении при температуре выше +70^oC.

На фигурах буквами обозначены: L - общая длина датчика (без проводов); l - длина резьбовой части; S - размер под гаечный ключ; d - диаметр резьбовой части; δ - раствор контактов; γ - зазор между круговых сегментов магнитопровода; α - зазор между подвижным контактом и дном корпуса в включенном положении контактов.

Предлагаемый магнитоконтактный термодатчик (см. фиг. 1, 2, 3, 4 и 5) содержит прочный герметизированный диамагнитный металлический корпус 1 (к примеру, из латуни) с установленной внутри его диэлектрической втулкой 2, выполненной из механически прочной и термостойкой пластмассы (к примеру, из пластмассы марки АГ-4 и др.).

Корпус 1 имеет наружную резьбу и шестигранный фланец для захвата гаечным ключом при установке, и в него введен через шейку 3 двужильный изолированный провод 4 и жестко закреплен (к примеру, путем завальцовки по шейке 3). В диэлектрической втулке 2 жестко установлены (к примеру, запрессованы) неподвижные контакты 5 (к примеру, выполненные из латуни и др.), совместно каждый со своей частью магнитопровода 6, причем контакты 5, к примеру, ввинчены в магнитопровод 6, так что концы их несколько выступают наружу нижней поверхности магнитопровода 6 своей торцевой контактной частью.

К противоположной стороне неподвижных контактов 5 жестко присоединены (к примеру, припаяны) оголенные торцевые концы 7, провода 4.

Указанные участки магнитопровода 6 выполнены (если смотреть на них в плане, см. фиг. 2) в виде круговых сегментов, из хорошо механически обрабатываемого, термомагнитного сплава (к примеру, из Fe-Ni-Co c точкой Кюри: θ_к= +70^°C) и установлены с зазором γ между собой в диэлектрической втулке 2 и замкнуты подвижной токопроводящей перемычкой, представляющей собой подвижный контакт 8 в виде сильного постоянного магнита, в форме круглой таблетки (т.е. плоского круглого цилиндра, где его высота равна, примерно, радиусу), из магнитотвердого материала (к примеру, "альнико" или "Магнико" и др. с точкой Кюри: θ_к= +870-900^°C).
При необходимости, для улучшения электропроводящих свойств при контактировании возможно подвижный контакт 8 армировать тонким поверхностным контактным слоем из хорошо токопроводящего материала в виде кольца (с наружным диаметром, равным диаметру контакта 8), выполненного, к примеру, из латунной или бронзовой фольги или полученного гальваническим способом и др. с контактирующей стороны (на фиг. сверху магнита), жестко соединенного с поверхностью магнита (к примеру, с помощью клея, гальваническим способом и др.).

Подвижный контакт 8 расположен по центру, внутри нижней части диэлектрической втулки 2, на неподвижных контактах 5, перемыкая (замыкая) их.

Центр подвижного контакта 8 кинематически связан с прямоходовым штоком 9 и с напряженной пружиной сжатия 10, которые установлены в центральном отверстии 11 и диэлектрической втулки 2, посредством глухого отверстия 12 в подвижном контакте 8, в которое входит конец 13 прямоходового штока 9.

С торца отверстие 11 закрыто глухой шайбой 14, которая зафиксирована, к примеру, штифтом 15.

Диэлектрическая втулка 2 с неподвижными контактами 5 и магнитопроводом 6, которые в исходном положении замкнуты подвижным контактом 8 (при этом прямоходовой шток 9 упирается в него и сжимает пружину 10), фиксируется в корпусе 1 с помощью фасонной гайки-заглушки 16, которая также выполнена из диамагнитного и хорошо проводящего тепло металла (к примеру, из меди, латуни и др.) и ввинчивается (с помощью глухих отверстий 17 под ключ) в нижний торец корпуса 1 и вместе с ним защищает и экранирует контактную систему датчика, причем изнутри между фасонной гайкой-заглушкой 16 и подвижным контактом 8 находится рабочий зазор α . Для регулировки величины рабочего раствора δ возможны установка регулировочных шайб 18.

При необходимости все детали устройства должны иметь соответствующие покрытия.

После установки гайки-заглушки 16 в корпус 1 она крепится или чеканится по периметру резьбы, к примеру в 3 точках под углом ≈120^oC друг к другу.

Магнитоконтактный термодатчик ввинчивается с уплотнительной прокладкой (к примеру, из паронита и др.) в контролируемый объект до упора и свободный конец провода 4 через ШР (штепсельный разъем на фиг. не показан) идет на пульт управления, где присоединяется, к примеру, по известной схеме (см. аналог, стр. 31, рис.22) к сигнальным элементам.

Следует дополнительно отметить, что при изготовлении и установке в магнитоконтактный термодатчик магнитопровода 6 из других термомагнитных сплавов (т. е. сплавов с другими компонентами и с другими процентным содержанием в сплаве и с различной величиной температуры точки Кюри: и т.д.) позволяет соответственно получить целую серию магнитоконтактных термодатчиков, реагирующих на различные температуры срабатывания при нагреве контролируемых объектов. Но наибольшее техническое применение получили сплавы Fe-Ni-Co c θ_к= +70^°C.
При работе (см. фиг. 5), температура от контролируемого объекта передается гайке-заглушке 16 и корпусу 1, в результате чего нагревается магнитная система датчика, и при достижении магнитопроводом 6 нагрева выше +70^oC (θ_к= +70^°C) магнитопровод 6 полностью теряет свои магнитные свойства.

Вследствие этого и под воздействием усилий пружины сжатия 10 через прямоходовой шток 9 подвижный контакт 8 (представляющий собой сильный постоянный магнит с θ_к= +870-900^°C) отрывается от магнитопровода 6, т.е. размыкает неподвижные контакты 5, и между контактами образуется раствор δ .

При этом обесточивается силовая катушка реле РП и, отключаясь, замыкает своими блок-контактами электрическую цепь питания звонка и сигнальной лампы, чем и оповещают о перегреве контролируемого объекта.

При охлаждении магнитных элементов магнитоконтактного термодатчика до исходной пониженной температуры (т. е. ниже +70^oC) подвижный контакт 8 (постоянный магнит) замыкает неподвижные контакты 5 (поскольку магнитопровод приобрел вновь свои магнитные свойства), восстанавливая электрическую схему включения термодатчика в исходное положение, а между подвижным контактом 8 и гайкой-заглушкой 16 образуется зазор α , (при этом α = δ).

Наиболее рационально использовать предлагаемое устройство, к примеру, на железнодорожном транспорте на буровых узлах вагонов и локомотивов, различных редукторах и передачах, и, вообще, на любых машинах, где необходим постоянный контроль за допустимым уровнем температуры: корпусах подшипников и др. , особенно если учесть что магнитоконтактные термодатчики могут быть изготовлены на различные температуры срабатывания при перегреве контролируемых объектов.

Учитывая вышеприведенные преимущества (см. пункты: "з"; "и"; "к"; " л"; " м"; "н"; "о"; "п"; "р"; "с"; "т"), особенно низкую стоимость, простоту конструкции и надежность работы устройства, целесообразно модернизировать, к примеру, на железнодорожном транспорте старые известные своими недостатками контактные термодатчики и наладить выпуск новых, поскольку эти затраты быстро окупятся при эксплуатации, и применение предложенного магнитоконтактного термодатчика даст значительный экономический эффект.

Магнитоконтактный термодатчик предназначен для постоянного контроля за уровнем температуры. Термодатчик содержит металлический диамагнитный герметизированный корпус, в котором установлена диэлектрическая втулка. Во втулке жестко укреплен двужильный провод, соединенный с неподвижными контактами. Контакты перемыкаются между собой подвижной токопроводящей перемычкой. Диэлектрическая втулка зафиксирована в корпусе по своему периметру фасонной гайкой-заглушкой. Неподвижные контакты встроены в магнитопровод. Магнитопровод выполнен из двух частей в виде круговых сегментов из термомаг- нитного сплава (к примеру, из Fe-Ni-Co с точкой Кюри θ_к= +70^°C). Торцы неподвижных контактов выступают наружу нижней поверхности магнитопровода. Подвижная токопроводящая перемычка выполнена как подвижный контакт в виде постоянного магнита в форме цилиндра из магнитотвердого материала (θ_к= +870-900^°C). Постоянный магнит имеет поверхностный контактный слой из токопроводящего материала в рабочей контактной зоне, в виде кольца. Центр подвижного замыкающего контакта кинематически связан с прямоходовым штоком и пружиной сжатия, установленными в центральном отверстии диэлектрической втулки, закрытом с наружного торца глухой шайбой со штифтом. Вследствие использования в термодатчике магнитного чувствительного элемента и пружины сжатия достигается его миниатюризация и компенсация сил графитации при определенных положениях датчика. 5 ил.

Магнитоконтактный термодатчик, содержащий металлический диамагнитный герметизированный корпус с установленной в нем диэлектрической втулкой, в которой жестко укреплен двухжильный провод, соединенный с неподвижными контактами в торце указанной диэлектрической втулки, которые перемыкаются между собой подвижной токопроводящей перемычкой, причем диэлектрическая втулка зафиксирована в корпусе по своему периметру с помощью фасонной гайки-заглушки, отличающийся тем, что неподвижные контакты встроены в магнитопровод, выполненный из двух частей в виде круговых сегментов из термомагнитного сплава (к примеру, из Fe-Ni-Co с точкой Кюри: θ_к = +70^oС), и торцы их выступают наружу нижней поверхности магнитопровода, а подвижная токопроводящая перемычка представляет собой подвижный контакт в виде постоянного магнита, выполненного в форме цилиндра, из магнитно-твердого материала (с точкой Кюри, к примеру, θ_к = +870 - 900^oС) при необходимости с поверхностным контактным слоем в рабочей контактной зоне из токопроводящего материала, в виде кольца, причем центр подвижного замыкающего контакта кинематически связан с прямоходовым штоком и пружиной сжатия, установленными в центральном отверстии диэлектрической втулки, закрытом с наружного торца глухой шайбой со штифтом.