ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1998 года по МПК G01K5/14 G01K5/16 

Изобретение относится к области измерений, а именно к датчикам температуры, действие которых основано на расширении или сжатии жидкостей, и может быть использовано в конкретных системах управления, например, автомобилей для измерения температуры.

Известен датчик температуры по авторскому свидетельству СССР N 1312404 м. кл. G 01 K 5/02, содержащий капсулу, заполненную рабочей жидкостью и капиллярную трубку, соединенную с капсулой и металлические проводки, помещенные в капиллярную трубку продольно и выведенные через стенку и присоединенные к электрическим клеммам. Рабочая жидкость в таком термометре обладает электропроводностью и по мере заполнения капиллярной трубки при повышении температуры изменяет электрическое сопротивление цепи между клеммами. Для бортовой компьютерной системы автомобиля такой датчик неудобен тем, что электрический сигнал, снимаемый с датчика температуры имеет аналоговую форму, а поэтому требуется установка аналогово-цифрового преобразователя.

Известен также датчик температуры по патенту США N 2816442 класс 374-188 содержащий капсулу, заполненную рабочей жидкостью и капиллярную трубку, соединенную с капсулой, через стенки которой пропущены металлические проволоки, которые снаружи подключаются к электрической цепи, содержащей набор логических элементов, с выхода которых может быть получен цифровой сигнал. Недостатком такого датчика температуры является то, что количество металлических проволок равно количеству значений температуры, которое может быть зафиксировано. Такой датчик при малом количестве электрических выводов будет иметь либо низкую точность либо малый диапазон измерения температуры, а при большом количестве выводов - высокую стоимость.

Задача изобретения, заключается в создании датчика температуры, который обеспечивает высокую точность измерения при низкой стоимости и высокой степени надежности.

Сущность изобретения заключается в датчике температуры, содержащем капсулу, сообщающуюся с капиллярной трубкой, внутри которой размещены проводники, выведенные наружу и рабочую жидкость, состоящую из двух составляющих частей, одна из которых является непроводящей электрический ток и заполняет весь объем капсулы и большую часть объема капиллярной трубки, выполняя функцию подвижного контакта, а проводники размещены внутри капиллярной трубки и имеют участки покрытые электроизоляционным материалом.

К тому же проводники выполнены в виде полос электропроводящего материала, нанесенного на диэлектрическую подложку, размещенную внутри капиллярной трубки, причем расположение непокрытых и изолированных участков на полосах электропроводящего материала обеспечивает сигнал на выходе датчика в двоичном коде.

К тому же капиллярная трубка расположена внутри капсулы, а длина неизолированных участков полос увеличивается в два раза при переходе от одной полосы к другой.

Отличие описываемого датчика температуры от известного состоит в том, что рабочая жидкость состоит из двух составляющих частей, одна из которых является непроводящей электрический ток и заполняет весь объем капсулы и большую часть объема капиллярной трубки, а другая является электропроводящей и занимает меньшую часть объема капиллярной трубки, выполняя функцию подвижного контакта, а проводники размещены внутри капиллярной трубки и имеют участки покрытые электроизоляционным материалом.

И в том, что проводники выполнены в виде полос электропроводящего материала, нанесенного на диэлектрическую подложку, размещенную внутри капиллярной трубки, причем расположение непокрытых и изолированных участков на полосах электропроводящего материала обеспечивает сигнал на выходе датчика в двоичном коде.

И в том, что капиллярная трубка расположена внутри капсулы, а длина неизолированных участков полос увеличивается в два раза при переходе от одной полосы к другой.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности и надежности измерения температуры.

Суть изобретения можно пояснить следующим теоретическим положением. Известно, что при использовании двоичного кода, максимальное количество фиксированных значений (дискрет), определяется количеством двоичных разрядов по формуле N=2ⁿ, где N-количество фиксированных значений (дискрет), а n-количество двоичных разрядов. Таким образом, для четырех разрядов максимальное количество фиксированных значений (дискрет) будет 16, а пяти 32, для шести 64, для семи 128 и т.д.

Следовательно, для датчика температуры на 128 фиксированных значений температуры необходимо 7 двоичных разрядов. Конструкция датчика температуры такова, что каждая металлическая проволока, помещенная внутрь капиллярной трубки соответствует одному двоичному разряду. Следовательно, для датчика на 128 фиксированных значений необходимо семь металлических проволок. При этом каждая из семи проволок имеет участки покрытые электроизоляционным материалом и участки, не покрытые электроизоляционным материалом, которые чередуются таким образом, чтобы участок, покрытый электроизоляционным материалом, соответствовал цифре 0, и участок не покрытый электроизоляционным материалом цифре 1 в двоичном коде.

Для подвода электрического напряжения к этим семи проволокам можно использовать либо корпус капиллярной трубки, либо дополнительную металлическую проволоку без изоляции.

Правильное формирование цифрового кода возможно только в том случае, если свойством электропроводности будет обладать только небольшая часть рабочей жидкости, перемещаемая по капиллярной трубке при изменении температуры так, чтобы длина столба этой части рабочей жидкости была не больше, чем расстояние, на которое перемещается столб жидкости при измерении температуры от одного до другого ближайшего фиксированного значения измеряемой температуры. Остальная часть рабочей жидкости не должна обладать свойством электропроводности и должна заполнять весь объем капсулы и объем капиллярной трубки от места ее сообщения с капсулой до места соприкосновения с той частью рабочей жидкости, которая обладает свойством электропроводности.

На фиг. 1 показан общий вид датчика температуры. Датчик температуры состоит из герметичной капсулы 1 и капиллярной трубки 2, которая сообщается с капсулой. Для обеспечения компактности датчика капиллярная трубка помещена внутрь капсулы.

Капсула 1 заполнена рабочей жидкостью 3, не проводящей электрический ток, например спиртом, и сообщается с капиллярной трубкой 2 через прорези 4. Большая часть объема капиллярной трубки 2 заполнена рабочей жидкостью, непроводящей электрический ток, поступающей из капсулы 1 через прорези 4. Меньшая часть объема капиллярной трубки 2 заполнена рабочей жидкостью 5, проводящей электрический ток, например ртутью, и выполняющей функции подвижного электрического контакта.

Капсула 1 герметично соединена с корпусом 6, имеющим, например, резьбу для ввинчивания в агрегаты, температура которых измеряется. Капиллярная трубка 2 также плотно запрессована в корпус 6. Объем капиллярной трубки между рабочей жидкостью 5 и корпусом 6 может быть заполнен разреженным газом 7.

Внутрь капиллярной трубки 2 помещена тонкая подложка 8 из электроизоляционного материала, на которую нанесены полоски 9 из электропроводящего материала. При этом подложка 8 свернута в трубочку, так что полоски из электропроводного материала соприкасаются с рабочей жидкостью 5.

С другой стороны в корпус 6 плотно вставляется электрический кабель 10, имеющий столько жил, сколько полосок 9 нанесено на подложку 8. Каждая жила кабеля соединяется с одной из этих полосок.

На фиг. 2 в укрупненном масштабе изображена подложка 7 в развернутом виде с полосками из электропроводящего материала для четырехразрядного датчика на 32 дискретных значений температуры. На этом рисунке пунктирными линиями показаны те участки полосок из электропроводящего материала, которые покрыты электроизоляционным материалом. Нижняя полоска 11 не покрыта электроизоляционным материалом и служит для подвода электрического тока к рабочей жидкости, проводящей электрический ток. Полоска 12 соответствует младшему двоичному разряду. Полоска 13 соответствует второму разряду. Полоска 14 соответствует третьему двоичному разряду. Полоска 16 соответствует старшему четвертому двоичному разряду. Электрический сигнал, снимаемый с полосок 12, 13, 14, 15, 16 формирует двоичный код.

Длины открытых и закрытых участков на каждой полоске 12, 13, 14, 15 и 16 одинаковы. Длина столба рабочей жидкости 5, проводящей электрический ток, в два раза или несколько меньше длин открытых участков полоски 12.

Длина открытых участков полоски 13 в два раза больше открытых участков полоски 12, а начало открытых участков полоски 13 соответствуют срединам открытых участков полоски 12. Длина открытых участков полоски 14 в два раза больше открытых участков полоски 13, а начало открытых участков полоски 14 соответствует серединам открытых участков полоски 13 и т.д. Такое расположение открытых и закрытых участков обеспечивает формирование сигнала в двоичном коде Грея, который исключает ошибки, возникающие при изменении температуры.

Заштрихованная зона 17 соответствует положению рабочей жидкости 5, проводящей электрический ток в исходном состоянии при минимальной температуре датчика.

Работает датчик температуры следующим образом. При увеличении температуры агрегата, в который ввернут корпус датчика 6, увеличивается температура рабочей жидкости 3, заполняющей объем капсулы 1 и часть объема капиллярной трубки 2, который соединяется с объемом капсулы 1. Увеличенные температуры рабочей жидкости 5, непроводящей электрический ток, приводит к увеличению ее объема и смещает рабочую жидкость 5, проводящую электрический ток, вдоль капиллярной трубки 2 в сторону корпуса 6 сжатию разреженного газа 7.

Если в исходном состоянии рабочая жидкость 5, проводящая электрический ток, электрически соединяет полоску 12 младшего разряда и подводящую полоску 11, что соответствует цифре "один" в коде Грея, то в следующем дискретном положении, соответствующем следующему значению температуры, рабочая жидкость 5 электрически соединяет полоски 12 и 13 с подводящей полоской 11, что соответствует цифре "два" кода Грея.

При дальнейшем увеличении температуры рабочая жидкость 5 продолжает смешаться в сторону корпуса 6 и в третьем дискретном положении рабочая жидкость 5 электрически соединяет полоску 13 с подводящей полоской 11, что соответствует цифре "три" в коде Грея.

Когда температура достигнет максимального значения, рабочая жидкость переместится в положение, когда замкнется полоска 16 и 11, что соответствует цифре "31" в коде Грея. Дальнейшее увеличение температуры может привести к выпадению рабочей жидкости 5 из капиллярной трубки 2, что выведет датчик из строя. Поэтому микропроцессорная система, которую информирует датчик о предельной максимальной температуре должна выработать сигнал на прекращение роста температуры. В случае автомобильного двигателя, это будет температура превышающая температуру кипения охлаждающей жидкости, а сигналом будет принудительное выключение зажигания двигателя.

При понижении температуры ниже значения "один", когда рабочая жидкость сместится в положение левее отмеченного цифрой 17 на фиг. 2 произойдет замерзание рабочей жидкости 5, т.е. превращение в твердое состояние, что предотвратит ее выпадение из капиллярной трубки.

Таким образом, использование данного датчика позволит повысить надежность компьютерной системы управления автомобильным двигателем и сократит ее себестоимость, что обеспечит рентабельность системы как в производстве, так и в эксплуатации.

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано в компьютерных системах управления, например, автомобилей для измерения температуры. Датчик температуры содержит капсулу, капиллярную трубку с проводниками и рабочую жидкость. Капсула сообщается с капиллярной трубкой. Внутри капиллярной трубки размещены проводники, выведенные наружу. Рабочая жидкость находится в капсуле и капиллярной трубке. Она состоит из двух составляющих частей. Одна часть является неэлектропроводящей, а другая - электропроводящей. Электропроводящая часть находится в капиллярной трубке, занимаемая меньшую часть ее объема и выполняя функцию подвижного контакта. Проводники имеют участки, покрытые электроизоляционным материалом. Расположение неизолированных и изолированных участков обеспечивает сигнал на выходе датчика в двоичным коде. Представление информации на выходе датчика в двоичном коде позволяет сократить количество выводов, что повышает надежность датчика. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Датчик температуры, содержащий капсулу, сообщающуюся с капиллярной трубкой, внутри которой размещены проводники, выведенные наружу, и рабочую жидкость, находящуюся в капсуле и капиллярной трубке, отличающийся тем, что рабочая жидкость состоит из двух составляющих частей, одна из которых является неэлектропроводящей, а другая является электропроводящей и находится в капиллярной трубке, занимая меньшую часть ее объема и выполняя функцию подвижного контакта, при этом проводники имеют участки, покрытые электроизоляционным материалом. 2. Датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что проводники выполнены в виде полос электропроводящего материала, нанесенного на диэлектрическую подложку, размещенную внутри капиллярной трубки, причем расположение неизолированных и изолированных участков на полосах электропроводящего материала обеспечивает сигнал на выходе датчика в двоичном коде. 3. Датчик температуры по п. 1 или 2, отличающийся тем, что капиллярная трубка расположена внутри капсулы, а длина неизолированных участков полос увеличивается в два раза при переходе от одной полосы к другой.