ИНТЕГРАЛЬНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к средствам измерения температуры контролируемого пожаровзрывоопасного объекта, подверженного аварийным нагрузкам, без непосредственного контакта с ним, в частности к термическим моделям, и может быть использовано для контроля температуры, например, боеприпасов, испытуемых, хранимых и транспортируемых в контейнерах.

Наиболее близким к заявляемому устройству является термическая модель контролируемого объекта, содержащая моделирующее тело, состоящее из газообразного теплоизолятора и ядра, расположенного в металлической оболочке, и термодатчик, размещенный в ядре, теплоизолятор размещен в зазоре между ядром и оболочкой, а ядро закреплено относительно оболочки с помощью точечных опор, расположенных в теле ядра и контактирующих с оболочкой.

Опоры разбиты на две группы. Причем точечный контакт с оболочкой первой группы опор, содержащей не менее трех опор, осуществляется в одной плоскости, не проходящей через центр ядра, а вторая группа опор, содержащая как минимум одну опору, расположена так, что ее ось перпендикулярна указанной плоскости. Группы опор расположены по разные стороны от центра ядра [1].

Термическая модель такого типа может быть с успехом применена для контроля температуры пожаровзрывоопасного объекта в режиме мониторинга и в системах контроля уровня аварийных воздействий, содержащих устройство обработки и хранения информации - типа "черный ящик". Данное техническое решение позволяет наилучшим образом обеспечивать совпадение темпа нагрева контролируемого объекта и термической модели в стадии регулярного режима нагрева.

Однако эта термическая модель комплексно не решает задачи по фиксации факта превышения определенных порогов температур, по которым категорируется контролируемый объект (например, "годен - не годен", "опасен - не опасен"), т. к. требует наличия дополнительных функциональных блоков для обработки и хранения информации, а также специального ударостойкого контейнера-термостата, способного защитить функциональные блоки от аварийных воздействий. Кроме того, для функционирования системы контроля в дежурном режиме необходим долгоживущий источник энергии.

Решаемая данным изобретением задача - повышение надежности контроля за пожаровзрывоопасным объектом путем упрощения системы контроля уровня аварийных воздействий и обеспечения контролепригодности при изготовлении интегральной термической модели.

Сущность изобретения заключается в том, что интегральная термическая модель, содержащая моделирующее тело, состоящее из газообразного теплоизолятора и ядра, расположенного в металлической оболочке, и термодатчик, размещенный в ядре, теплоизолятор размещен в зазоре между ядром и оболочкой, а ядро закреплено относительно оболочки с помощью точечных опор, расположенных в теле ядра и контактирующих с оболочкой, согласно изобретению снабжена нажимным устройством повторного взведения термодатчика и рычажным механизмом, являющимся приводом нажимного устройства, а термодатчик выполнен в виде электромеханического порогового устройства с переключающимися контактами.

Кроме того, для обеспечения контролепригодности при изготовлении модели, привод нажимного устройства повторного взведения термодатчика состоит из корпуса, герметично скрепленного с оболочкой, неравноплечего рычага, контактирующего большим плечом с нажимным устройством термодатчика, герметизирующей тороидальной мембраны, герметично соединенной с корпусом привода и рычагом в зоне его вращения относительно кромки центрального отверстия кольцеобразного ограничителя деформации мембраны, закрепленного на корпусе привода, и фиксатора рычага, контактирующего с меньшим плечом рычага вне гермообъема интегральной термической модели.

В располагаемых нами источниках информации не обнаружены технические решения, содержащие в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения. Следовательно, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Поставленная задача решается за счет того, что:
- применили термодатчик порогового типа с переключающимися контактами;
- снабдили термодатчик нажимным устройством повторного взведения;
- снабдили модель приводом нажимного устройства.

Наличие новых существенных признаков совместно с известными и общими с прототипом позволило создать новое техническое решение - интегральную термическую модель, решающую комплексно, при обеспечении собственной контролепригодности, задачу получения, обработки и хранения достоверной информации о температуре контролируемого пожаровзрывоопасного объекта без непосредственного контакта с ним, что позволяет повысить надежность контроля.

Задача обеспечения контролепригодности интегральной термической модели решается следующим образом.

При изготовлении термической модели, при проведении заводских испытаний необходимо подтвердить основную теплофизическую характеристику термической модели - постоянную времени Т, характеризующую тепловую инерцию модели.

Переходная функция термической модели Θ(τ) соответствует уравнению:
Θ(τ) = 1-e^-τ/T (1),
где τ - текущее время,
Т - постоянная времени.

Задача контроля постоянной времени термической модели с пороговым датчиком и устройством взведения решается следующим образом.

Термическая модель подвергается воздействию теплового импульса прямоугольной формы. Например, после выдержки при нормальной температуре модель помещают в тепловую камеру с высокой температурой. В этом случае температура в ядре модели как функция времени будет изменяться в соответствии с уравнением:
t_тм = t_c+(t_c-t_н)(1-e^-τ/T) (2)
где t_н - начальная температура модели, ^oС;
t_c - температура внешней среды, ^oС.

Решая уравнение (2) относительно τ, находим:

Из уравнения (3) видно, что при заданных начальных условиях (t_c и t_н) время достижения наперед заданных значений температуры ядра термической модели происходит в строго определенное время. Таким образом, для контроля соответствия переходной функции требованиям технического задания на модели достаточно контролировать время достижения температурой ядра уставочных значений температур t_ТМ=t₁, t₂, t_i, т.е. достаточно контролировать времена переключения соответствующих контактов. Завершающим этапом заводских испытаний является взведение термодатчика через герметичную стенку с помощью привода нажимного механизма.

На фиг.1 изображен общий вид интегральной термической модели в разрезе.

На фиг.2 изображен узел привода нажимного устройства термодатчика.

На фиг.3 изображен вариант электрической схемы интегральной термической модели.

Интегральная термическая модель содержит наружную оболочку 1, в которой расположено моделирующее тело, состоящее из теплоизолятора 2 и ядра 3, и термодатчик 4, размещенный в ядре 3. Газообразный теплоизолятор 2 размещен в зазоре между ядром 3 и оболочкой 1.

Оболочка 1 содержит жестко закрепленные в ней детали 5 и 6, причем деталь 5 выполнена в виде охватывающего ядро 3 кольца, а деталь 6 - в виде опорной пяты. В кольце 5 и опорной пяте 6 выполнены сферические углубления 7. В ядре 3 выполнены отверстия 8, в которых установлены точечные опоры 9, упирающиеся в сферические углубления 7.

Термодатчик 4 выполнен в виде электромеханического порогового устройства и снабжен нажимным устройством повторного взведения в виде подпружиненного штока 10 (фиг.1).

Модель содержит привод нажимного устройства, состоящий из корпуса 11, скрепленного с оболочкой 1, неравноплечего рычага 12, контактирующего большим плечом со штоком 10, герметизирующей тороидальной мембраны 13, герметично соединенной при помощи сварки с корпусом 11 и рычагом 12 в зоне его вращения относительно кромки центрального отверстия 14 кольцеобразного ограничителя деформации 15 мембраны, скрепленного с корпусом 11, и фиксатора 16, контактирующего с меньшим плечом рычага 12 вне гермообъема модели. Торцевая часть рычага 12 имеет прямоугольное сечение и имеет две направляющие поверхности 17 и контактную площадку 18. На внутренней поверхности корпуса 11 выполнен паз 19, контактирующий с поверхностями 17 для обеспечения перемещения контактной площадки 18 в требуемом для взведения термодатчика направлении. Привод содержит также накидную гайку 20 и уплотнительное кольцо 21 (фиг.2).

Привод нажимного устройства выполнен в виде отдельного узла, скрепляемого с наружной оболочкой 1 термической модели с помощью сварки. Тороидальная мембрана 13 выполнена из нержавеющей стали, термообработанной до состояния максимальной пластичности. Внутренний торец мембраны с помощью сварки скреплен с рычагом 12, а наружный торец - с ограничителем деформации 15 и корпусом 11. Ограничитель деформации 15 и корпус 11 образуют зазор, эквидистантный тороидальной мембране, что позволяет ограничивать деформацию мембраны при воздействии избыточного давления как снаружи модели, так и при возрастании внутреннего давления, а также при осевом нагружении рычага 12 при действии ударных перегрузок.

Для закрепления рычага 12 в нейтральном положении служит фиксатор 16, выполненный в виде втулки с глухим дном и опорным буртиком и цилиндрической проточкой. Фиксатор 16 с помощью накидной гайки 19 крепится к корпусу 11. В корпусе 11 выполнено посадочное место для установки фиксатора 16, образующее совместно с фиксатором 16 замкнутое кольцевое пространство для установки уплотнительного кольца 21.

Термическая модель также содержит герметичную термостойкую вилку 22, закрепленную на наружной оболочке 1 с помощью сварки и соединенную с термодатчиком с помощью термостойкого монтажного провода 23. Вилка 22 предназначена для вывода электрических цепей термодатчика 4 от переключающихся контактов 24, 25, 26 из гермообъема термической модели, заполненного теплоизолирующим газом под небольшим избыточным давлением. В исходном состоянии контакты 24, 25, 26 образуют между токовыводами вилки 22 электрические цепи 1, 2, 3 и 4, 6, а при срабатывании - цепи 1, 2, 3 и 5, 7 соответственно (фиг.3).

Работает интегральная термическая модель следующим образом.

Модель размещают совместно с контролируемым взрывоопасным объектом в транспортно-эксплуатационном контейнере. При нерегламентированном тепловом воздействии на контейнер происходит нагрев взрывоопасного объекта и модели. При этом максимальные температуры в контрольной точке взрывоопасного объекта и ядра модели находятся в определенном соотношении, определяемом передаточным коэффициентом:

где t_u ^м - максимальная температура в контрольной точке взрывоопасного объекта;
t_тм ^м - максимальная температура ядра модели;
t_н - начальная температура среды.

Теплоинерционные характеристики модели расчитаны таким образом, что передаточный коэффициент К близок к единице.

Полученная функциональная связь (4) позволяет установить уставочные пороги срабатывания модели по соотношению:

где t_тмi - соответствующий уставочный порог;
t_ui - контролируемая критическая температура объекта.

При достижении температурой уставочных значений происходит переключение контактов 24, 25, 26 термодатчика 4, установленного в ядре 3 интегральной термической модели. Считывание зарегистрированной информации о температуре контролируемого взрывоопасного объекта производят через герметичную вилку 22 с помощью специального пульта (не показано).

Повторное взведение термодатчика (переключение контактов в исходное состояние) с помощью привода нажимного устройства производят следующим образом, как показано на фиг.2.

Демонтируют накидную гайку 20 и фиксатор 16 и с помощью ключа 27, представляющего из себя стержень с цилиндрическим отверстием, аксиально стыкуемым с торцевой цилиндрической частью рычага 12, производят угловое перемещение рычага 12 относительно центра вращения, которым является кромка отверстия в центре ограничителя деформации 15. При этом контактная площадка 18 перемещает шток 10 термодатчика, который производит переключение контактов порогового термодатчика 4 из сработанного состояния в исходное.

Герметизация рычага 12 осуществляется с помощью тороидальной мембраны 13. При угловом перемещении рычага 12 мембрана упругопластически деформируется, что позволяет при минимальных габаритах мембраны получить значительные перемещения рычага в зоне контактной площадки 18. После переключения контактов термодатчика 4 рычаг 12 с помощью ключа возвращают в исходное положение и устанавливают демонтированные детали - фиксатор 16 и накидную гайку 20. При этом фиксатор рычага кроме фиксации подвижного рычага 12 осуществляет совместно с накидной гайкой 20 и уплотнительным кольцом 21 дополнительную герметизацию внутреннего объема модели.

Таким образом, применение термодатчика порогового типа с переключающимися контактами и нажимным устройством повторного взведения привело к упрощению системы контроля уровня аварийных воздействий за счет исключения сложных устройств обработки и хранения информации, источника питания и ударостойкого термостата, а наличие в модели привода нажимного устройства повторного взведения термодатчика обеспечило контролепригодность при изготовлении термической модели, что в совокупности существенно повысило надежность контроля за пожаровзрывоопасным объектом.

Использование: изобретение относится к средствам измерения температуры контролируемого пожаровзрывоопасного объекта, подверженного аварийным нагрузкам. Сущность изобретения: интегральная термическая модель, содержащая моделирующее тело, состоящее из газообразного теплоизолятора и ядра, расположенного в металлической оболочке, и термодатчик, размещенный в ядре, теплоизолятор размещен в зазоре между ядром и оболочкой, а ядро закреплено относительно оболочки с помощью точечных опор, расположенных в теле ядра и контактирующих с оболочкой, снабжена нажимным устройством повторного взведения термодатчика и рычажным механизмом, являющимся приводом нажимного устройства, а термодатчик выполнен в виде электромеханического порогового устройства с переключающимися контактами. Технический результат - повышение надежности контроля путем упрощения системы контроля. 3 ил.

1. Интегральная термическая модель, содержащая моделирующее тело, состоящее из газообразного теплоизолятора и ядра, расположенного в металлической оболочке, и термодатчик, размещенный в ядре, теплоизолятор размещен в зазоре между ядром и оболочкой, а ядро закреплено относительно оболочки с помощью точечных опор, расположенных в теле ядра и контактирующих с оболочкой, отличающаяся тем, что модель снабжена нажимным устройством повторного взведения термодатчика и рычажным механизмом, являющимся приводом нажимного устройства, а термодатчик выполнен в виде электромеханического порогового устройства c переключающимися контактами. 2. Интегральная термическая модель по п.1, отличающаяся тем, что привод нажимного устройства повторного взведения термодатчика состоит из корпуса, герметично скрепленного с оболочкой, неравноплечего рычага, контактирующего большим плечом с нажимным устройством термодатчика, герметизирующей тороидальной мембраны, герметично соединенной с корпусом привода и рычагом в зоне его вращения относительно кромки центрального отверстия кольцеобразного ограничителя деформации мембраны, закрепленного на корпусе привода, и фиксатора рычага, контактирующего с меньшим плечом рычага вне гермообъема интегральной термической модели.